大功率軸快流CO2激光器射頻激勵源的研究.pdf

1、在大功率激光工業(yè)加工領(lǐng)域，軸快流CO2激光器由于其卓越的性能而得到了廣泛的應用。射頻激勵特性是制約軸快流CO2激光器向更高功率發(fā)展的關(guān)鍵。本文針對大功率軸快流CO2激光器的射頻激勵特性，采用數(shù)值模擬的方法分析了頻率對放電管內(nèi)混合氣體放電特性的影響，通過實驗的方法研究了一種用于大功率軸快流CO2激光器的全固態(tài)射頻電源，設計了用于監(jiān)測入射、反射功率的射頻功率檢測電路，并對用于射頻功率MOS管的微通道熱沉進行了優(yōu)化設計。論文的主要內(nèi)容如下：<

2、br>　　基于一維流體模型研究了不同驅(qū)動頻率對軸快流CO2激光器放電管中CO2/He/N2混合氣體射頻放電的影響。研究表明當激勵頻率從5MHz增加到45MHz時，電子密度、激發(fā)態(tài)粒子密度隨著驅(qū)動頻率的增加而增加。在此過程中，電流密度變化平穩(wěn)。模擬結(jié)果表明在頻率增加的整個過程中管內(nèi)放電均處于穩(wěn)定的α放電模式。隨著激勵頻率的增加，放電管內(nèi)鞘層區(qū)域的電場強度、電子溫度和等離子體區(qū)的長度均有增加，鞘層厚度減小。模擬結(jié)果還表明在整個放電過程中，電

3、子的產(chǎn)生率貫穿了放電空間并在鞘層區(qū)出現(xiàn)峰值，這進一步解釋了管內(nèi)放電是處于穩(wěn)定的α放電模式，并為射頻電源設計時頻率的選擇提供了理論依據(jù)。
　　依據(jù)大功率軸快流CO2激光器對射頻電源的要求，設計了頻率為13.56MHz的全固態(tài)射頻電源。為保證功率放大電路正常、有效的工作，設計了兩路獨立占空比可調(diào)的驅(qū)動電路板。為實現(xiàn)高效的功率輸出，Class D的拓撲結(jié)構(gòu)被用于功率放大電路的設計。為使功率放大電路的開關(guān)損耗降至最低，對上、下功率開關(guān)管的

4、死區(qū)時間做了特殊的設定。為適應標準50?的阻抗輸出，設計了對應的阻抗匹配電路。最后對制作的電源樣機進行了實驗。
　　依據(jù)功率 MOSFET正常工作時對散熱性能的要求，為進一步縮小散熱熱沉的體積，采用數(shù)值模擬的方法對矩形凹槽結(jié)構(gòu)的微通道熱沉進行了優(yōu)化設計。對矩形凹槽角度、凹槽間距和微通道中左、右凹槽的交錯距離變化時，微通道熱沉內(nèi)的流動與傳熱特性進行了分析。還對兩種不同種類、濃度的納米流在矩形凹槽微通道熱沉中的散熱情況進行了數(shù)值模擬。