微波激励CO2激光器调谐调配的研究

微波激励CO₂激光器调谐调配的研究

眭聿文

摘要　由单螺调配器和双螺调配器组成的复合调配机构的设计原理的这种机构，能避免二者单独使用的不利因素,而采用在单螺调配器和双螺调配器之间夹膜孔的复合调配机构能使调谐调配互相兼容;并对同轴线传输的电场耦合方式进行了讨论，对波导——同轴线转换器的探针伸入深度和TE₁₀₂模式下激励腔的设计进行了计算;最后给出了在不同气压下的放电试验结果。
关键词　微波激励；CO₂激光器；调谐调配
中图法分类　TN248.2

An Investigation of the Tuning and Matching Structure of a Microwave Excitation CO₂ Laser

Sui Yuwen
(Xiang Tan Polytechnic University)

Abstract　The excitation structure of a gas laser should only have a good matching among the microwave power source,transmission line and plasma load so that most power can be obtained from the source.In the meantime,efficiency can be raised and the discharging can be made stable.Using the coupling structure of the tuning and matching electric field parted by the diaphragm with hole in the middle,we can meet this demand.
Key words　Microwave excitation,CO₂ Laser, tuning and matching

引言
　　气体激光器的微波激励,就是在波导腔中建立强电场,以便使激光混合气体达到电离击穿,这时等离子体消耗电磁场能量。气体击穿及维持自持辉光放电的场强与场频率(ω)、气体本身的特征参数、放电区的特征扩散长度(Λ)及气压(P)有关。在低压下(＜10Torr),气体击穿场的阈值(Et)满足关系:Et∝ω/PΛ,在高压下(＞10Torr)满足关系:Et∝P.
　　为了有效地激励CO₂激光器,提高能量的耦合效率,必须有良好的调谐调配机构,以达到阻抗匹配的目的,包括微波源的匹配和负载阻抗的匹配,前者通过微波源来实现,后者是在本文讨论的主要问题。
　　通常波导(谐振腔)的耦合理论给出了激励特定电磁场模式所需的耦合结构及耦合机构的传输特性,而在微波激励CO₂激光器情况下,则更关心耦合结构对腔内场分布的影响,即耦合结构的近场分布及微波能量的最佳耦合。耦合近区由于高阶模的存在,使得很难由理论计算来准确确定它的场分布及能量的沉积率,而通过实验来提供合理的耦合结构具有实际意义。

1　波导型螺钉调配器的原理和设计
　　对于波导等微波传输线,在无耗情况下,微波传输线上任一参考面处的输入阻抗与负载阻抗之间有如下变换关系^［1］:

式中 ——归一化输入阻抗;
　　　——归一化负载阻抗;
　　　z——观察点离终端(负载)的距离;
　　　β=2π/λg.

　　如果反射系数Г(z)=0,则Zin=1,即有Zc=Z₀和Zin=Zc,这时传输线所传输的功率全被负载吸收而无反射。但在实际中,往往Z₀≠Z_C,这必须在它们之间加调配器,通过调节调配器螺钉的位置和深度,可在各种不同负载下使Z₀=Z_C.
　　采用波导—同轴转换的探针耦合结构(见图1),同轴传输线的负载阻抗经计算为,根据圆图,可找出归一化导纳为:，对应于圆图的A点(见图2)，接入单螺匹配器后，必须使单螺钉左侧的归一化输入导纳为：,即在等电导圆上的圆图中心。从A点沿着等驻波圆向电源方向转到G=1圆交于C点或B点。因为螺钉一般呈容性电纳,故取B点,B点即是螺钉所在的位置。由A点向电源方向转到B点的电长度:d/λg=(0.5-0.29)+0.16=0.37,即d=(3/8)λg为螺钉离负载的距离。在B点的归一化输入导纳,调节螺钉的深度使其电纳为j0.8,这时B点沿G=1圆转到中心0点,就达到匹配。

表1　复合腔的放电结果

作者简介:眭聿文　男　40岁　硕士　讲师　湘潭　411201
作者单位:眭聿文　湘潭工学院 数理系

参考文献
1　郑柏群等.微波与天线实验技术.北京:国防科技大学,1985
2　张旭光.探针式同轴线—矩形波导转换器输入阻抗的计算.电子学报,1987,15(5):22-26
3　姚德淼等.微波技术基础.北京:电子工业出版社,1989
4　Muller S and Uhlenbusch J.Influence of turbulence and convection on the output of a high-power CO₂ laser with a fast axial fiow.J.Phys D:Appl.phys,1987,20:697-708

收稿日期:1999-08-20
修改日期:1999-10-31