（物理电子学专业论文）射频激励co2激光器实时控制原理及应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前，在激光加工领域，射频激励c 0 2 激光器正在逐步取代传统的直流激励c 0 2 激光器。本文重点讨论了射频激励c 0 2 激光加工中的光功率实时控制技术的原理和 实现方案。 本文首先介绍了d r h a l l 等人提出的射频气体放电相关理论。 f 本文详细分析了射频激励c 0 2 激光器中各种粒子和光子的微观过程i 本文强调， 电子是射频激励c 0 2 激光器中各种物理过程的“桥梁”，提出电子数密度和电子温 1 7 度是求解激光器输出光功率对脉冲宽度调制( p w m ) 控制信号实时响应的关键。 本文在此基础上建立了射频激励c 0 2 激光器实时控制的数学模型和分析方法： 计算了射频激励c 0 2 激光器输出光功率对p w m 控制信号的实时响应特性，并用数 学方法模拟了激光器实时响应的过程。模拟的响应特性与实际所用射频激励c 0 2 激 光器的响应特性致，说明了笔者提出模型和方法的正确性。 本文还成功完成了新型射频激励c 0 2 激光器功率控制器产品u c 2 0 的开发和批 ， 量生产。f 研发中，运用分频的方法，非常巧妙地解决了各种频率的p w m 信号和固 定频率的预电离信号之间的配合问题，使得u c 2 0 具备了高频调制功能。u c 2 0 的 、 成功改变了功率控制器产品需要进口的局面。 7 本文还给出了光功率实时控制技术在钮扣高速打标、高速图像雕刻等高速应用 场合的实现方案。并且依据此方案，成功完成了武汉华工激光工程有限责任公司钮 扣高速打标机的控制部分设计等工作。实践证明，采用光功率实时控制技术取得了 良好的加工效果。 关键词：激光加工、射频激励c o 涌光器、光功率实爵控制、电子安菩度、 黼警瓣“栅硪激带朗骀 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tt h e p r e s e n tt i m e ，r f e x c i t e dc 0 2l a s e r s a r e r e p l a c i n g t h ec o n v e n t i o n a l d c e x c i t e dc 0 2l a s e r si nt h el a s e rp r o c e s s i n gf i e l d t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o no f t h e r e a l t i m ec o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y i nr f e x c i t e dc 0 2l a s e rp r o c e s s i n ga r e m a i n l y d i s c u s s e d i nt h i sp a p e r f i r s t ，t h et h e o r i e so fc 0 2 g a sl a s e rm i x t u r er fd i s c h a r g ep r e s e n t e db yh a l l ，d r a n d e t c a r ei n t r o d u c e d t h em i c r o p r o c e s s e so fp a r t i c l e sa n dp h o t o n si nr f e x c i t e dc 0 2l a s e r sa r ea n a l y z e d i nd e t a i l e l e c t r o ni st h e b r i d g e ”a m o n gt h e s em i c r o p r o c e s s e s t h ed e n s i t yo f e l e c t r o n a n de l e c t r o nt e m p e r a t u r ea r et h ek e yf a c t o r st od e t e r m i n et h er f e x c i t e dc 0 2 l a s e rp o w e r , w h i c hi sv a r y i n gw i t ht h ep w m s i g n a l am a t h e m a t i cm o d e la n da na n a l y z i n gm e t h o do ft h er f e x c i t e dc 0 2 l a s e rp o w e r r e a l t i m ec o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h em o d e la n dt h ea n a l y z i n g m e t h o d t h er f - e x c i t e dc 0 2l a s e rp o w e r v a r y i n gw i t l lt h ep w ms i g n a li sc a l c u l a t e da n d s i m u l a t e d t h ea c c o r d a n c eo ft h es i m u l a t e dr e s u l ta n dt h ea c t u a lh a sp r o v e nt h a tt h e m o d e la n dt h ea n a l y z i n gm e t h o da r ec o r r e c t an e wt y p eo fl a s e r p o w e rc o n t r o l l e r , u c 2 0 ，i sa l s od e v e l o p e da n dp r o d u c e d s u c c e s s f u l l y b yt h em e a n s o f f f e q u e n c yd i v i d i n g ，t h em a t c h b e t w e e nt h ep w m s i g n a l so f v a r i o u sf r e q u e n c i e sa n dt h et i c k l es i g n a lo ff i x e df r e q u e n c yi sa c h i e v e d s k i l l f u l l y , w h i c h e n a b l e st h ef u n c t i o nt om o d u l a t et h el a s e rp o w e r 啊t l l1 1 i g hf r e q u e n c y t h es u c c e s so f u c 2 0e n d st h es i t u a t i o nt h a tr f - e x c f f e dc 0 2l a s e r p o w e r c o n t r o l l e r sn e e dt oi m p o r t s c h e m e st or e a l i z et h e l a s e r 。p o w e r r e a l - t i m e c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y i nl a s e r 1 l i g l l s p e e da p p l i c a t i o n s ，s u c ha sh i g h s p e e dm a r k i n go nb u t t o n sa n dh i g h s p e e dc a r v i n g o nn o n - m e t a lm a t e r i a l s ，a r ea l s op r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h e s es c h e m e s ，t h ec o n t r o l l i n g u n i t so f t h eh g l c o m p a n y sh i g h - s p e e db u r o n l a s e r m a r k i n gs y s t e m h a v eb e e n d e s i g n e d s u c c e s s f u l l y i ti sp r o v e di np r a c t i c et h a tt h el a s e rp o w e r r e a l t i m ec o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y h e l p s t og e tg o o de f f e c t si nl a s e rp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：l a s e r p r o c e s s i n g ；r f - e x c i t e dc 0 2l a s e r ；l a s e rp o w e r r e a l t i m ec o n t r o l l i n g ； d e n s i t yo f e l e c t r o n ；p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ；l a s e r h i g h - s p e e da p p l i c a t i o n s i i 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 6 0 年，伴随第一台红宝石激光器的问世，拉开了激光及其应用技术研究的帷 幕。4 0 余年来，以激光器为基础的激光技术得到了迅速发展，现已进入工程化、商 用化阶段。由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性以及高能量密度等不可比 拟的优点，已被广泛应用于工农业生产、通讯、医疗、军事、科研等各个领域，促 进了这些领域的技术进步和前所未有的发展“1 。 激光在制造领域的应用标志着门跨学科、跨行业的新型科学的诞生。激光加 工技术作为一种先进制造技术，在工业生产中应用，解决了许多常规方法无法解决 的难题，被誉为“未来制造系统的共同加工手段”。 与传统的加工技术相比，激光加工有着许多独特的优点，主要表现在以下几个 方面“1 ： 1 可以对多种金属、非金属材料加工，特别是能够加工某些高硬度、脆性及高 熔点的材料； 2 由于加工所用的工具是激光束，无“刀具”磨损，加工过程中无切削力产生 的不良影响： 3 激光作用区域的功率密度很大，光束在被加工对象上的停留时间很短，因此 热影响区很小，工件的热变形小，加工精度高，n t 质量好： 4 不易受电磁干扰，而且无噪声、无环境污染； 5 加工效率高，某些情况下，激光切割可提高效率8 2 0 倍，微调薄膜电阻可 提高工效1 0 0 0 倍等；经济效益高，在诸如激光打孔、切割等多方面节省大 量费用： 6 激光束易于导向、聚焦和发散，根据要求可以得到不同的光斑尺寸和功率密 度，通过外光路系统可以使激光束改变传播方向，可以与计算机数控系统连 接起来实现激光加工的自动化。 华中科技大学硕士学位论文 激光加工如今已成为一种多用途的加工技术，在切割、焊接、表面改性、打标、 雕刻、快速成型、打孔及微细加工等方面得到了广泛应用，其在工业中所占比重已 成为衡量个国家加工水平高低的重要指标。 1 1 激光加工技术简介 激光加工按应用领域分类，可分为：激光切割，激光焊接，激光热处理，激光 打标，激光雕刻等等3 1 。 激光切割是将聚焦光斑尺寸在o 1 0 5 m m 的激光束照射到被切割工件上，用以 熔化、汽化被切材料。与此同时，要有一股同光轴的气流喷出，将熔化或汽化了的 材料由切口吹出，随着激光束与被切工件的相对运动，生产切口。一般激光束使工 件升温时间为0 1 0 0 0 1 s ，功率密度为1 1 0 k w m m 2 ，切口很窄，有的可达o i m m 左右，无需后整形加工，速度快，易于与计算机结合作各种复杂图形的切割。 激光焊接属于传导型焊接，即激光束辐照被加工表面，其接收能量通过热传导 向内部扩散，通过控制激光功率或脉冲的脉宽、能量、峰值功率和重复频率等参数， 使工件达到一定熔池深度，而表面又无明显汽化。有的焊接场合采用基于小孔效应 的深熔焊接，消除了金属高反射率以及焊接过程中形成的等离子体所造成的壁障， 这种壁障使得激光功率耦合不到工件表面，利用小孔效应可得到较理想的深熔焊 接。一般焊接加热时间为0 0 l 0 0 0 1 s ，功率密度为1 1 0 0 k w r o _ m 2 。 激光热处理是用激光引起材料组织结构变化的冶金学过程，其加热时间在 1 0 3 1o 7 s ，功率密度大于o 1 k w m m 2 。目前主要用于汽车、冶金、石油、重型机 械、农业机械等存在严重磨损的机械行业。 激光打标和激光雕刻合称为激光标刻，它是利用激光的高功率密度，使标刻材 料表面受到激光照射的局部熔融、汽化，从而留下永久性的标记。其中，激光打标 主要在工件表面上蚀刻线条，在工件表面刻下线条标记，激光雕刻主要是蚀刻工件 表面的一定区域，甚至雕刻出深浅不一的效果，在工件表面上留下区域标记。 华中科技大学硕士学位论文 激光；b n - r 在汽车制造中的应用范围很广“1 ，像车身、动力传动装置、发动机、 散热器及其它一些零部件均可采用激光加工。其中应用最多的是激光切割( 约占激 光加工应用中的7 0 ) ，而且又以汽车行业的薄板居多。除平板切割外，激光加工 还用于汽车装配流水线上对车体结构实施空间全方位激光切割，这方面往往使用带 柔性机械手或光导纤维的五轴激光加工机。由于激光焊接功率密度高，导致焊接速 度快和热影响区小，加上不需搭边和焊缝成形好，使焊接工艺不仅生产效率高，而 且焊接质量好，所有焊缝强度等于或超过母材，因此，被广泛应用于结构件、传动 件等的焊接。在汽车工业中也普遍采用了激光表面强化工艺，通过激光热处理大大 提高了汽车零部件的使用寿命及整车性能。 除了传统的应用外，最近还出现了一些新的激光应用领域，简述如下巧1 。 在钢铁行业，采用大功率激光轧辊毛化( 刻花) 技术，是用c 0 2 或y a g 激光 在轧辊表面均匀“刻”出微坑，用以代替喷丸毛化技术或电火花毛化技术。使用该 技术，明显地改善了冷轧钢板的表面性能。 在纺织业中，采用c o ：激光印染刻花技术，是用c 0 2 激光在丝网上微雕出适合 于印刷套色的特殊形状, j q l ，以改造传统工艺中的手工雕刻或照相腐蚀方法，其突 出优点是印染花纹更新速度快，图案更精细而且画面幅度更大。 在模具行业中，采用激光快速三维立体成型技术，是用合适波长的激光照射在 光敏树脂上，使之逐点硬化，快速形成所需的模型。 在精密加工和微细加工领域中6 ，激光技术也得到了广泛的应用。例如：在坚 硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔：在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百 微米直径的深孔；在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔：精密切割印 刷电路板p c b 中表面安装用模板；精密焊接印刷电路的引出线等等。 激光加工中用到的激光器主要有：c 0 2 激光器，y a g 激光器，铜蒸汽激光器， 准分子激光器和c o 激光器等。其中大功率c 0 2 激光器和大功率y a g 激光器在大 型件激光加工技术中应用较广；而铜蒸汽激光器和准分子激光器在激光微细加工技 华中科技大学硕士学位论文 术中应用较多；中、小功率y a g 激光器一般用于精密加工。 c 0 2 激光器是至今为止输出功率最大、技术发展最成熟的激光器。本文只讨论 c 0 2 激光器技术。 1 2 激光b n - r 技术的国内外进展 国外的激光产业已经十分发达。 我国的激光产业还十分弱小，从严格的意义上来讲还很难算得上- 1 7 独立的产 业，但是它的发展是迅速的吨1 。1 9 8 8 年时全国的激光产品还只有1 亿多元，到1 9 9 8 年时增长到8 亿元，增长了7 4 倍，平均年递增2 2 3 ，与发达国家增速相当。 我国激光加工连年增长。十年来增长了5 1 6 倍，平均年增长率达到4 8 3 。这 表明激光加工用激光器和激光加工技术日趋成熟，也表明工业界的需求不断地增 长，主要矛盾仍然是我们尚不能提供更好的多样的设备和技术满足不同的要求。我 国的激光加工应用还只集中在一些比较容易开发的应用中。尽管发展速度已经很 快，但尚未达到它应占的份额，激光加工应用也尚未能进入国民经济发展的主战场。 特别对于c 0 2 激光加工技术，由于大功率c 0 2 激光器以及封离型射频激励c 0 2 激光器发展不够理想，许多重要的应用需要进口。国产封离型c 0 2 激光管为直流 激励其性能尚不能满足某些加工的要求，它在脉冲调制下寿命很短，因而许多厂 家都把目光转到进口封离射频激励c 0 2 激光器上，因此成本大为提高，又难于为多 数用户所接受，影响了应用的普及。以上这些都限制了c 0 2 激光器在激光加工中的 应用。 笔者认为，目前我国激光加工与国际先进水平的差距主要在于：有些关键激光 器件( 如前述的大功率c 0 2 激光器、封离型射频激励c 0 2 激光器、一些控制部件及 软件等) 无法自主生产或生产技术不成熟；现有科技成果的转化力度不够，许多科 技成果都没有变成市场上的商品；整机的可靠性、稳定性急待提高；激光加工设备 产品的档次也存在不小的差距。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 射频激励c 0 2 激光器的发展 前已提到，c 0 2 激光器有诸多优点，因此在激光加工技术中扮演着非常重要的 角色。本文主要围绕射频激励c 0 2 激光器及其在激光加工中的应用展开。 射频激励技术是c 0 2 激光器技术的最新发展一，瑚：它克服了直流放电激励中的 高工作电压、电极溅射污染镜片、高压放电使c 0 2 分子分解以及输出光功率无法进 行高速率电控制等缺点。 射频激励技术其突出优点有| 1 1 , 1 2 1 1 射频气体放电具有正向伏安特性，可实现持续放电，电能利用效率高，而 直流气体放电具有负向伏安特性，需串联镇流电阻才能持续放电，此镇流 电阻上消耗的电功率几乎与注入放电管的电功率相等，电能利用效率低。 2 射频放电均匀稳定，可实现大面积均匀放电，注入功率密度高，而且器件 的体积大为缩小； 3 工作电压低，因而有利于提高器件寿命，并且使用安全： 4 射频波可实现高频幅度调制，调制频率可达1 0 0 k h z ，因此输出光功率的电 控程度高，并能灵活地实现从连续到脉冲的转换以及脉宽和脉冲频率的调 节等。 因此，射频激励技术得到了非常广泛的应用。 射频激励c 0 2 激光器的发展如今出现了几个新动向，现分述如下： 一、大功率( 1k w 以上) 对流冷却型c 0 2 激光器中采用射频激励技术1 1 3 1 。 大功率对流冷却型c 0 2 激光器中应用最广泛的是快轴流c 0 2 激光器。它得名于 与光束同轴的快速流动气体冷却技术。快轴流c 0 2 激光器诞生于7 0 年代初。快轴 流技术的引入，大幅度提高了单位体积的注入功率，并保证了激活介质良好的均匀 性和对称性。快轴流c 0 2 激光器具有优良的光束质量，能长时间稳定可靠运行。 对流冷却型c 0 2 激光器注入功率的大小取决于工作气体的质量流量 1 4 j 。 采用射频激励技术的快轴流c o z 激光器，其射频激励电极位于放电管外，对工 华中科技大学硕士学位论文 作气体湍流没有严格要求，因此，放电管气流阻力小，有利于流过大流量，注入功 率可远大于直流激励c 0 2 激光器，可获得高功率输出。f r a u h o f e r 激光技术研究所 h a b i c h 等人报道的2 5 k w 快轴流c 0 2 激光器，仅用了两台3 5 0 0 m 3 h 的涡轮泵。如 果是直流激励，一台3 5 0 0 m 3 h 左右流速的泵，最大输出功率只有4 k w 左右。 二、中小功率( 1 k w 以下) 射频激励c 0 2 激光器采用封离型扩散冷却技术t 1 5 , 1 6 1 。 气体对流冷却型c 0 2 激光器均需要热交换器、气体循环、净化等一系列庞大、 复杂的辅助性设备，因此激光器的结构复杂、体积大，而且气体循环冷却系统也增 加了额外的功率消耗，并带来噪音污染。同时，其气体消耗及正常运行所需的维护、 经济开支对大多数使用者来说都是较为突出的难题。 封离型c 0 2 激光器省掉了庞大、复杂的气体对流冷却装置，其冷却主要靠放电 电极和放电管壁的扩散冷却来完成。因此，最大的优点是结构紧凑，体积小，重量 轻，可以很容易地安装到生产线上，以及移动的支架和机器人的机械臂上或者桥形 支架机械系统中。此外，封离式c 0 2 激光器，使用寿命长( 达3 5 0 0 0 小时) ，不需 要精心地维护。其应用包括陶瓷材料和金属材料的3 n q - ，高速切纸，塑料焊接，还 可以应用于大面积模板的切割。 封离型扩散冷却射频激励c 0 2 激光器生产厂商中，最著名的是美国加州的相干 ( c o h e r e n t ) 公司和美国s y n r a d 公司。 相干( c o h e r e n t ) 公司声称，在1 9 9 8 年采用板条状波导获得最小输出功率为 5 0 0 w 。采用高气压和很小的电极间隙能够获得每单位电极面积( c m 2 ) 1 w 的输出 和光上升时间在5 0 ps 范围内。尽管这种腔由于很高的输出效率使得输出光的模式 质量不高，但是可以在腔内采用光学的方法加以改进。相干公司的5 0 0 w 激光器输 出光束的质量系数m 2 = 1 5 ，体积约为4 7 1 1x 9 5 i n ，重量为1 3 5 1 b 。 1 9 9 9 年年中，美国s y n r a d 公司采用分波束混合共振腔设计方案研制成6 0 0 w 的 封离式c 0 2 激光器。有一定角度的电极结构选择为低阶自由空间的模式振荡，它使 得输出光束的m 2 = 1 2 。另外，5 m m 宽的电极间隙使得其更易于集成，并且不需要 华中科技大学硕士学位论文 再把电极表面抛光。这样简化了制作过程，降低了产品的成本。较低的频率 4 0 6 8 m h z 是f c c 工业、科研、民用标准，使得其与f c c 和c e 的射频发射取得一 致更加容易。缺点在于其使得光上升时间变慢，约为1 0 0 “s ；降低功率的输出， 每平方厘米约为o 6 w 。 目前，在中小功率乃至千瓦级方面，射频c 0 2 激光器大有取代直流c 0 2 激光器 之势1 1 7 1 。c 0 2 激光加工中越来越多地使用射频c 0 2 激光器将是发展的必然。 诚然，射频激励技术也有不少缺点。主要有：需要复杂且昂贵的射频功率源； 放电负载与射频功率源之间需要匹配网络；必须采取电磁屏蔽措旅防止射频电波的 辐射危害。但这些都只是技术和生产成本上的问题，随着技术的发展这些困难都可 以被克服。 笔者认为：与传统的直流激励相比较，射频激励c 0 2 激光器的最最突出优点在 于：电控制特性优良，激光输出对电控制信号可以快速的响应：为激光加工获得良 好的质量提供了保证手段。也正是因为射频激励c 0 2 激光器的发展应用才使得某些 必需实时控制激光输出( 开关光和光功率大小) 的激光加工有了实现的可能。 国内的一些科研机构虽然在射频激励c 0 2 激光器方面有一定的理论研究和实验 研究，但在产品化方面几乎是一片空白。目前国内所需的射频激励c 0 2 激光器全 部依赖进口。 我国的c 0 2 激光加工业急需高光束质量的千瓦级c 0 2 激光器和百瓦级封离型射 频激励c 0 2 激光器。 1 4 激光加工中的光功率实时控制 激光辐照材料时，其光能被材料的一定区域( 通常是表面) 所吸收，并转换为 热。热量通过热传导在材料内扩散，造成一定的温度场，导致在一定范围内材料性 状的变化。可以说激光加工是用激光束对物体的快速加热冷却过程1 1 8 , 1 9 1 。影响激光 加工质量的因素很多，其中光能量和光功率是非常重要的因素，光能量的控制可以 7 华中科技大学硕士学位论文 通过控制光功率大小和光与物质作用时间来实现。因此，在激光加工中，对光功率 的实时控制有着极其重要的意义比o ，2 。 以往的激光加工并不实时控制光功率，只是在更换不同的加工材料时，才调节 光功率的大小。整个加工过程中，光功率保持不变，这样难以获得优良的加工质量。 例如，某些国产激光切割雕刻机切割薄板时，由于光束移动速度大小不断改变，而 光功率保持不变，使得加工材料上的光能量密度不同，造成切缝不均匀、拐角处过 热塌角现象和激光雕刻的图像缺乏立体感等等。 目前，国外某些激光加工设备，如澳大利亚l a s e rl a b 公司的2 维激光切割 机、意大利p r i m a 公司的3 维激光切割机和美国e p i l o g 公司的3 维激光雕刻机 等均采用了光功率实时控制技术，取得了非常好的加工效果。国内的激光j 口- r 设备 主要有北京大恒集团的j b j 系列激光打标机、j q j 系列激光切割机，北京航空工业 研究所的l m c 一5 0 0 型、n c l s 一2 1 2 5 型、h i 。m a r k 4 0 0 型激光加工机，上海激光研究 所的c m s 系列激光雕刻机，武汉楚天激光集团的c t 系列、l j 系列、j h 系列、s h 系列激光加工机，华工激光工程有限公司的j s 系列激光加工机和武汉迈驰集团生 产的激光加工机。它们都没有采用光功率实时控制技术。所以，要提高国内激光加 工水平，获得高质量的加工效果，缩小与国外激光加工水平的差距，就必须尽快应 用光功率的实时控制技术。 据预测，这是国内激光加工技术的必然发展趋势，应用这一技术的国产激光加 工设备有着非常好的市场前景。 1 5 本课题的目的、意义和研究内容 如前述，实时控制激光器的输出是激光加工技术发展的要求。本课题研究的对 象是射频激励c 0 2 激光器实时控制原理及其实现和该实时控制技术在钮扣打标、图 像雕刻、印染刻花上的具体应用。射频激励c 0 2 激光器的产品开发不在研究范围之 内，本课题所用到的射频激励c 0 2 激光器为从美国s y n r a d 公司进口的4 8 和5 7 系 华中科技大学硕士学位论文 列激光器。 射频激励c 0 2 激光器实时控制包括实时控制激光器的开关和实时控制激光器 输出光功率的大小。控制激光器的开关和输出光功率的大小的基本方法有控制激光 器电源法和外调制法。其中控制激光器电源法是效率最高、应用最广的方法，也是 本课题采用的主要方法。同时笔者工作还包括，用外部声光q 开关调制法实现激光 印染刻花设备中的c 0 2 激光器的开关实时控制。 与直流激励c 0 2 激光器一样，射频激励c 0 2 激光器也是通过控制激光电源的电 功率来实现控制输出光功率。所不同的是，在直流激励c 0 2 激光器中控制的是放电 电压和放电电流的大小，而在射频激励c 0 2 激光器中，采用脉冲宽度调制( p w - m ) 的方法，该方法在下文中有详细分析。实践中，常用功率控制器来控制射频激励 c 0 2 激光器输出光功率的大小。功率控制器的基本功能是严格按照输入控制指令的 要求，发出合适的脉冲宽度调制( p w m ) 信号并送到射频激励c 0 2 激光器，从而 实现输出光功率的o 1 0 0 高速率控制。在本课题完成之前，国内尚没有生产出射 频激励c 0 2 激光器功率控制器产品，所需的功率控制器仍然需进口。 本课题来源于“九五”国家重点科技攻关项目“大幅面百瓦级c 0 2 激光切割雕 刻机的研究及产品开发”的延续技术开发和华工激光工程有限公司的生产实践需 要。具体说来，本课题的工作内容包括： 1 从理论上研究射频激励c 0 2 激光器的放电特性，导出脉冲宽度调制( p w m ) 控制光功率的原理，建立典型的射频激励扩散冷却c 0 2 激光器的控制原理 和解释其电控特性； 2 功率控制器产品u c 2 0 的研制； 3 钮扣打标机、振镜图像雕刻机的研制： 4 运用光功率实时控制技术，改进华工激光公司的j s c 1 5 2 0 型大幅面激光切 割雕刻机，彻底解决激光切割中的切缝不均匀、拐角处塌角的问题和改进 华工激光公司的j s 系列激光标刻机实现多灰度图像的激光标刻( 3 维立体 华中科技大学硕士学位论文 激光标刻) 。 本文章节安排如下： 第一章绪论 第二章射频气体放电和射频激励c 0 2 激光器 第三章射频激励c 0 2 激光器实时控制原理 第四章功率控制器 第五章激光加工中的c 0 2 激光器光功率实时控制技术应用 第六章全文总结 1 0 华中科技大学硕士学位论文 第二章射频气体放电和射频激励c o ：激光器 2 1 高频放电 当两个电极间有高频电场存在时( 无论电极是摆在管外或管内) ，所引起的放电 形式称为高频放电。高频放电的频率范围一般指从1 m h z ( 无线电频率) 到1 0 “h z 左右( 微波与远红外交界) ，其中包括射频放电和微波放电2 2 1 0 如果我们用低频交流电源代替直流电源，则气体放电的外观基本上与直流放电 一样，只是放电电流方向发生周期性变化，存在明显的阴极位降区，正柱区和阳极 位降区。 提高电源频率，由于电极间的高频交变电压，电子快速地来回运动，使之与气 体粒子碰撞的次数剧增，其电离能力也大大加强。这样，用以维持放电所需要的新 电子完全由电子与气体粒子的碰撞电离来产生，而电极上的过程( 如离子轰击阴极 产生二次电子发射) 不起作用；另方面，正离子由于其漂移率很小，可以近似认 为它在空间是不动的，它的作用差不多完全在于形成空间电荷电场，这个空间电荷 电场叠加在迅速变化的高频外电场上，并决定放电各部分的位置。由于外电场变化 的周期小于放电空间电离和消电离时间，于是当外加电压周期性变化时，两个电极 不再是交替地作为阳极和阴极，放电空间形成的电荷在电场方向改变时，尚未消电 离，也来不及重新分布，而仅仅使电子运动速度和方向发生改变，因此就会发生一 些与直流放电完全不同的现象。即整个放电空间稳定在一种不变的放电形式正 柱辉光区分布在管子中间部分，在它的两边有法拉第暗区，而靠近每个电极附近的 则有负辉区1 2 3 1 0 所以，可以看到高频放电可因交变很快的电场的存在而产生，这种电场不论是 用什么方法产生的，也不论有无阴极发射电子，都能引起气体电离。另外，在放电 过程中形成的空间电荷，当电场改变时来不及重新调整，基于以上两方面原因，高 频放电着火电压一般要比直流放电的着火电压低得多。由于在高频放电中，电极的 华中科技大学硕士学位论文 作用不大，因此高频放电可以是内电极、外电极的高频放电，甚至是无电极的所谓 的无极环形放电。内电极高频放电，放电管结构与直流气体放电的结构一样，阴极 和阳极都安装在管内：外电极高频放电，电极都安装在管外；无电极高频气体放电， 将一螺旋状线圈套在放电管外，利用高额磁场来驱动气体放电，这种放电呈环形同 心圆的发光分布m ，。 因此，高频放电具有以下几个明显的特点出1 ：与低频交流放电不同，它也是一 种稳定的放电；高频电场相对比较均匀，放电也比较均匀，因此有利于注入功率的 提高；因为外加电压是交变的，当放电频率 l o k h z 时，激励周期比不稳定开始时 间( 1 m s ) 要小，因此不容易形成电弧放电，有利于放电稳定性的提高 2 5 1 等等。 2 2 射频气体放电特征和放电模型 射频放电是高频放电的一种。放电频率范围在1 0 m h z 2 0 0 m h z 的高频放电， 称为射频放电t 2 2 1 。 实验研究表明 2 6 1 射频放电中，当电流和电压从小逐渐增加时，开始阶段电流 几乎与电压成比例的增加，这表明有位移电流存在。当电压增加到某一l 临界值时， 气体被击穿着火放电，此时，电流突然上升而电压突然下降，但放电还没有完全充 满整个电极表面；随着电流的进一步增大，放电区逐渐扩大，最后充满整个电极表 面，在此过程中电压几乎不变，电流密度也不变，即出现类似直流辉光放电中的归 化电流密度效应。进一步增加电流，电压和电流密度均增大，且电压增加的更快。 继续增加电流，在某一点放电结构会发生突变，放电区收缩，电流密度增加一个量 级而电压却略微下降。此后，电流增加时，电压和电流又均成为常数；再增加电流， 放电最后收缩成丝状。 根据射频放电的电流电压特性，射频放电可分为两种模式 2 6 1 一种为旺型， 另一种为t 型。两种放电模式在放电外观上有明显的不同。n 型放电的辉光结构在 两电极附近有一层极薄的暗区，随后是一较亮的薄层，放电区中间是一层不太亮的 华中科技大学硕士学位论文 辉光。而t 型放电有明显的负辉区和法拉第暗区，中间的辉光也非常亮。两种放电 模式本质上的不同在于鞘层内的电离过程和电流闭合回路的形成机制上的差异。0 【 型放电中鞘层内电场和离子数还不太高，离子几乎不动，离子电流可忽略不记，其 中电流主要是位移电流，并由它使整个回路闭合：而t 型放电中电流密度很高，电 极附近的电子和离子数都很高，离子的速度较大，离子轰击电极引起称为y 过程的 阴极溅射，鞘层内的传导电流较大且离子电流不可忽略。 可见，7 型放电中的大部分能量都消耗在激发效率很低的鞘层内。因此，在射 频激励c 0 2 激光器中，实用的是型放电。 d r h a l l 通过对中等气压、平板电极间的a 型射频放电的观察，得到一系列在 不同输入功率下的可见光辐射，结果如图2 1 。从图2 1 中可以看到射频放电的几个 明显特性吗1 ： 1 放电产生的光辐射强度沿平行于外加电场的方向变化，并且对称于电极间 的中心线； 2 接近电极有一个暗区，当射频输入功率变化时，它几乎保持常数，其值大 约为0 1 5 m m 0 0 2 m m ： 3 在暗区内侧，光强迅速升到最大，亮区中心( 即最大值处) 距每个电极的 距离约为o 5 m m ，这个距离随着射频输入功率的增加而下降，但变化不明 显： 4 两个亮区中间，放电光辐射降到一个中等水平处。 华中科技大学硕士学位论文 ) 1 ：1 ”n 1 图2 1不同输入功率下可见光的辐射 一般情况下，辉光放电的光辐射强度的大小由电子数密度决定。因此，上面所 观察到的放电辉光意味着在电极间有非均匀的电子密度和非均匀的电场存在。由于 我们假设所加的电场是均匀的，那么这种非均匀性必然将由放电本身所建立的附加 的内部电场产生。这样一个内部电场确实存在。据此，d h e 和d r h a l l 提出了一 个简单的射频放电模型，根据这个模型的空间一电荷区域，解释了内部电场的存在。 假设： 1 离子运动不受射频场的影响； 2 电子碰撞频率v 远远大于射频场频率，即v ( i ) 2 。 射频放电是在两个平行平面和无限大电极间产生的。极间距为l ，p 为充满了 中心区域的等离子区( 或称为电中性的“正柱区”) 与电极相接的s 1 、s 2 分别为两 个正电荷鞘层区，如图2 2 。其厚度随外加射频场的变化在s + a 和s a 间变化，其 中a 为电子振荡的振辐a = e e mv 。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 z = 0 工= s z = _ s z = l 0 r t e 】e c h 口d e b o u n d 一 图2 2 射频放电模型 在等离子体p 内，正负电荷密度相等，由电离产生的电子通过再复合和附着在 此区域消失。正电荷鞘层区是带电粒子同电极壁相互作用的结果。由于电极壁的影 响，在接近电极壁的区域，即在一个振荡振幅内，电子沉积在电极上( 电极表现为 电极槽) ，电子的这种净损失产生了s 1 、s 2 的正电荷鞘层区，这些正的空间电荷在 s i 、s 2 聚积产生内部空间电场，由于距离十分小，故此电场很强。其极性是这样的： 吸引电子远离电极，同时将离子排斥到电极上。这类似存在于d c 放电情况中阴极 上的情形，只是该结果在两个电极上获得( 两个电极的行为都类似阴极行为) 。 根据h a l l 的内部空间一电荷电场模型，可以解释射频放电辉光特性：接近每一 个电极的暗区是由于在这些区域内低的电子密度。当交替半周时，所加交流电场与 强的内部电场同方向，驱使电子远离电极。在正电荷层内，即刚超过电场峰值，电 子获得最大能量，引起更进一步电离的产生，在距电极稍远的距离处电场反向，电 子能量下降到电离水平以下，这时，在气体混合物中各种粒子的高效激发发生，在 距电极比空间电荷密度峰值稍远离电极处产生放电辐射强度的峰值，平均电子能量 进一步下降，这是由于空间电荷的“摩擦”效应导致稍弱的辐射光强，总体辐射强 度对称于极间中心线。 2 3 c 0 2 分子激光器 我们可以利用分子振动转动能级之间的跃迁来获得受激发射并制成分子气体 激光器1 2 7 o 分子的总能量一般包括：电子能量，由电子饶核运动产生；振动能量， 华中科技大学硕士学位论文 由核的振动产生：转动能量，由分子的转动产生；平动能量，即动能。 c 0 2 分子是一种线性对称排列的三原子分子，即三个原子排成一直线，中间是 碳原子，两端是氧原子，c 0 2 分子处于不断振动中，其基本振动形式有三种，即对 称振动、形变振动和反对称振动，它们的振动能量都是量子化的。用u1 表示对称 振动的振动量子数( ul = 0 ，1 ，2 ，) 相应的振动能量由ul 决定。用u2 表示形变 振动的振动量子数( 1 12 = 0 ，1 ，2 ，) 相应的振动能量由”2 决定。用”3 表示反对 称振动的振动量子数( ”3 = o ，1 ，2 ，) 相应的振动能量由u3 决定。 c 0 2 分子的总振动能量由上述三种振动方式的能量之和，每个振动能级通常由 ( ”l ”2 。u3 ) 符号标记。”2 右上角的符号i 是振动运动的角动量量子数。当”2 为偶数时，i = ”2 ，u2 2 ，u2 4 ，0 ；当u2 为奇数时，l = u2 ，口2 2 ，”2 4 ， 1 。 当受激发射产生的光脉冲宽度比较大或为连续波输出时，可以认为转动能级的 驰豫是瞬间发生的，在此情况下只需考虑振动能级。 c 0 2 分子产生的激光谱线很多，其中最强的有两条，一条是0 0 0 1 _ 1 0 0 0 的跃迁， 波长为1 0 6um ：另一条是0 0 0 1 - - - - 0 2 0 0 的跃迁，波长为9 6um 。其跃迁过程是这 样的：外界能量将c 0 2 分子从基态激发到激光上能级0 0 0 1 ，0 0 0 1 向1 0 0 0 或0 2 0 0 跃 迁时发射光子，c 0 2 分子跃迁到1 0 0 0 和0 2 0 0 能级后，不能直接跃迁到基态，而是 通过与基态粒子碰撞跃迁到0 1 1 0 能级，再通过与其他粒子碰撞然后返回到基态。可 见c 0 2 激光器属于四能级系统。 c 0 2 分子上能级0 0 0 1 的激发过程包括吨7 2 8 1 电子直接碰撞激发：具有一定能量的电子与基态c 0 2 分子发生非弹性碰撞，使c 0 2 分子激发到0 0 0 1 能级。表示如下： 虿+ c 0 2 ( 0 0 0 0 ) _ e + c 0 2 ( 0 0 1 1 ) 共振转移激发：如果c 0 2 中掺有，和c o ，那么它们被电子碰撞激发到各自的激发 1 6 华中科技大学硕士学位论文 态，这些激发态的分子将能量转移给c 0 2 基态，使之激发到0 0 0 1 能级。表示如下： 2 ( v = 0 ) + 万一2 ( v = 1 ) + e 2 ( v = 1 ) + c 0 2 ( 0 0 0 0 ) 寸2 ( v = o ) + c 0 2 ( 0 0 0 1 ) 一1 8 c r n - 1 c o ( v = o ) + - g c o ( v = 1 ) + e c o ( v = 1 ) + c q ( 0 0 0 0 ) c o ( v = o ) + c o l ( o 0 0 1 ) 一1 5 0 c m 。1 串级跃迁激发：电子碰撞还可把c 0 2 分子激发到振动能级0 0 0 ”3 ( ”3 1 ) ，或者由 于共振转移激发产生0 0 0 u3 激发态，这些激发态c 0 2 分子与基态c 0 2 分子碰撞的结 果，本身转移到低一级的能级，失去的能量转移给基态c 0 2 分子，并使之跃迁到0 0 0 1 能级。表示如下： 虿+ c d 2 ( o o o o ) 甘e + c d 2 ( 0 0 0 v 3 ) c 0 2 ( o o o v o + c 0 2 ( o 0 0 0 ) 一c q ( o o o v 3 1 ) + c o , ( o 0 0 0 ) 蛆 c o , ( 0 0 0 b - 1 ) + c q ( 0 0 0 0 ) 一c d 2 ( o o o 9 3 2 ) + c 0 2 ( o 0 0 1 ) + a e 复合激发表示如下： c o + 0 斗c 0 2 ( o o o l 、十e 实验研究也表明为提高c 0 2 激光器的输出功率，激光器所充气体，除工作气体 c 0 2 外还要加入许多辅助气体佗3 跏，其作用是增加激光上能级的激发速率和加速 抽空激光下能级，并加速激光末端能级1 0 0 0 的弛豫3 。 由于2 分子的振动能级几乎与c o z 的振动能级一致，例如2 的第一振动能级 与激光上能级( 0 0 0 1 ) 非常接近。而m 是同核分子，不存在振动能级间的辐射跃迁。 所以若将这些分子进行振动激励，它将把俘获的能量有选择地转移到激光上能 级。因此， 在c 0 2 激光器中的作用主要是增大c 0 2 分子0 0 0 1 能级的激发速率， 加入n 2 气体，输出功率有较大的增加。增加2 的含量虽然激发c 0 2 分子0 0 0 1 能级 的速率增大，但也相应地降低了c 0 2 分子的数目，同时在气体放电过程中形成n , o 分