留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

射频轴快流CO2激光器动态L型阻抗匹配网络设计

黄盼 赵崇霄 董祝君 潘其坤 冯育泽 张来明 郭劲

黄盼, 赵崇霄, 董祝君, 潘其坤, 冯育泽, 张来明, 郭劲. 射频轴快流CO2激光器动态L型阻抗匹配网络设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0096
引用本文: 黄盼, 赵崇霄, 董祝君, 潘其坤, 冯育泽, 张来明, 郭劲. 射频轴快流CO2激光器动态L型阻抗匹配网络设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0096
HUANG Pan, ZHAO Chong-xiao, DONG Zhu-jun, PAN Qi-kun, FENG Yu-ze, ZHANG Lai-ming, GUO Jin. Design of dynamic L-type impedance matching network in RF excited fast axial flow CO2 lasers[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0096
Citation: HUANG Pan, ZHAO Chong-xiao, DONG Zhu-jun, PAN Qi-kun, FENG Yu-ze, ZHANG Lai-ming, GUO Jin. Design of dynamic L-type impedance matching network in RF excited fast axial flow CO2 lasers[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0096

射频轴快流CO2激光器动态L型阻抗匹配网络设计

cstr: 32171.14.CO.2024-0096
基金项目: 国家自然科学基金(No. 62335016);吉林省自然科学基金(No. 20220101207JC);激光与物质相互作用国家重点实验室基金项目(No. SKLLIM2209);中国科学院青年创新促进会(No. 2021216);吉林省青年成长科技计划项目 (No. 20230508139RC)
详细信息
    作者简介:

    赵崇霄(1993—),男,辽宁沈阳人,博士,工程师,2015年于大连理工大学获得学士学位,2021年于大连理工大学获得博士学位,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所工程师,负责国家基金委青年基金项目1项,国家重点实验室项目1项,主要从事激光等离子体特性研究,高功率MOPA CO2激光器技术研究。E-mail:zhaochongxiao@ciomp.ac.cn

Design of dynamic L-type impedance matching network in RF excited fast axial flow CO2 lasers

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 62335016); Natural Science Foundation of Jilin Province (No. 20220101207JC); State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter Project (No. SKLLIM2209); Youth Innovation Promotion Association, CAS (No. 2021216); Youth Growth Technology Project of Jilin (No. 20230508139RC)
More Information
  • 摘要:

    针对高功率轴快流CO2激光器射频放电阻抗匹配问题,本文设计了低反射率、高动态匹配范围的阻抗匹配网络,实现了射频激励轴快流CO2激光器在不同放电结构下的射频功率高效利用。基于射频电路阻抗匹配理论,构建了多电极等效电路模型,提出向匹配网络中引入可调高压陶瓷电容的方法,设计了适用于高功率射频激励轴快流CO2激光器的动态L型匹配网络。模拟的动态L型匹配网络可实现向16根放电管注入60 kW射频功率,在总负载阻抗12.81 Ω~49.94 Ω的范围内实现反射率小于1%;并搭建了单管射频放电实验装置,实验测得动态L型匹配网络在4 kW注入功率下反射率小于1%,与仿真结果相符。证明了引入可调高压陶瓷电容的动态L型匹配网络能够实现高动态范围内的阻抗匹配,基本满足高功率射频激励轴快流CO2激光器匹配电路设计要求。

     

  • 图 1  单管放电模块

    Figure 1.  Single-tube discharge module

    Figure 2.  Laser equivalent circuit model

    图 3  放电系统示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of the discharge system

    图 4  L型阻抗匹配网络,对应式(10)解(a):a=−0.186, b=5.186;(b) a=2.180, b=−5.209

    Figure 4.  L-type impedance matching network, corresponding to the solution of Eq. (10): (a) a=−0.186, b=5.186; (b) a=2.180, b=−5.209

    图 5  反射率$ \text{η} $/电压增益G/功率沉积WL-等离子体电阻RL关系曲线

    Figure 5.  Reflectivity η/voltage gain G/power deposition-plasma resistance RL relationship curve

    图 6  动态L型阻抗匹配网络

    Figure 6.  Dynamic L-type impedance matching network

    图 7  动态匹配网络(a) C1-等效电阻调节曲线;(b)反射率调节曲面(c)等效电阻调节曲面(d)等效电抗调节曲面

    Figure 7.  Dynamic matching network (a) C1-equivalent resistance adjustment curve (b) Reflectance adjustment surface (c) Equivalent resistance adjustment surface (d) Equivalent reactance adjustment surface

    图 8  动态阻抗匹配网络驻波比调节曲面(匹配中心C1=127.6 pF, C2=89.6 pF)

    Figure 8.  The dynamic impedance matching network’s VSWR adjustment surface (match center C1=127.6 pF, C2=89.6 pF)

    图 9  动态阻抗匹配网络史密斯圆图:等离子体阻抗为38.6 ${ \Omega }\text{-17.7}\;{ \Omega }\text{j} $

    Figure 9.  Smith chart of dynamic impedance matching network. Plasma impedance is 38.6 ${ \Omega }\text{-17.7}\;{ \Omega }\text{j} $

    图 10  单管辉光放电

    Figure 10.  Single-tube glow discharge

    图 11  (a)单管射频放电动态阻抗匹配网络(b)阻抗匹配网络实际装置

    Figure 11.  (a) Single-tube RF discharge dynamic impedance matching network (b) Actual device of the impedance matching network

    表  1  激光器工作参数

    Table  1.   Laser operating parameters

    电源功率 射频频率 内径 外径 电极长度 电极面积 工作气压 工作温度
    60 kW 13.56 MHz 24 mm 28 mm 300 mm 5.37×10−3 m2 10 kPa 400 K
    下载: 导出CSV
  • [1] 游聪, 黄维, 林高洁, 等. 基于遗传算法的快轴流CO2激光放大器的参数优化[J]. 中国激光,2024,51(7):0701016. doi: 10.3788/CJL231509

    YOU C, HUANG W, LIN G J, et al. Optimization of fast axial flow CO2 laser amplifier parameters based on genetic algorithm[J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51(7): 0701016. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL231509
    [2] 黄维, 游聪, 林高洁, 等. 射频激励轴快流CO2激光放大器增益性能的研究[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(23): 02. (查阅网上资料, 未找到年卷起页码信息, 请确认) .

    HUANG W, YOU C, LIN G J, et al. Research on gain performance of radio frequency excited axial fast flow CO2 laser amplifier[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2024, 61(23): 02. (in Chinese).
    [3] 李艳丽, 刘显和, 伍强. 先进光刻技术的发展历程与最新进展[J]. 激光与光电子学进展,2022,59(9):0922006.

    LI Y L, LIU X H, WU Q. Evolution and updates of advanced photolithography technology[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2022, 59(9): 0922006. (in Chinese).
    [4] 林楠, 杨文河, 陈韫懿, 等. 极紫外光刻光源的研究进展及发展趋势[J]. 激光与光电子学进展,2022,59(9):0922002.

    LIN N, YANG W H, CHEN Y Y, et al. Research progress and development trend of extreme ultraviolet lithography source[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2022, 59(9): 0922002. (in Chinese).
    [5] YU S M, CHEN Z L, WU H, et al. Best impedance matching seeking of single-frequency capacitively coupled plasmas by numerical simulations[J]. Journal of Applied Physics, 2022, 132(8): 083302. doi: 10.1063/5.0096910
    [6] HAGEN J B. 射频电子学: 电路与应用[M]. 鲍景富, 麦文, 牟飞燕, 等译. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2013.

    HAGEN J B. Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications[M]. BAO J F, MAI W, MU F Y, et al. trans. 2nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013. (in Chinese).
    [7] 王懿. 容性耦合式射频等离子体放电装置的设计及应用研究[D]. 柳州: 广西科技大学, 2023.

    WANG Y. Design and application research of capacitive coupled RF plasma discharge device[D]. Liuzhou: Guangxi University of Science and Technology, 2023. (in Chinese).
    [8] 张浩. ICP源中负载匹配网络的设计[D]. 烟台: 烟台大学, 2023.

    ZHANG H. Design of load matching network in ICP source[D]. Yantai: Yantai University, 2023. (in Chinese).
    [9] RODRIGUEZ C, VIOLA J, CHEN Y Q, et al. Modeling and control of L-type network impedance matching for semiconductor plasma etch[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B, 2024, 42(2): 022212.
    [10] HERTZLER C, WOLLERMANN-WINDGASSE R, HABICH U, et al. 30-kW fast-axial-flow CO2 laser with rf excitation[J]. Proceedings of SPIE, 1996, 2788: 14-23. doi: 10.1117/12.248621
    [11] 李波. 高功率轴快流CO2激光器高效稳定放电方法研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2010.

    LI B. Study on stable high-effective discharge of high power fast axial flow CO2 laser[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2010. (in Chinese).
    [12] BHAGAT M S, BISWAS A K, RANA L B, et al. Impedance matching in RF excited fast axial flow CO2 laser: the role of the capacitance due to laser head[J]. Optics & Laser Technology, 2012, 44(7): 2217-2222.
    [13] SHIN D, HONG S J. Improved impedance matching speed with gradient descent for advanced RF plasma system[J]. Journal of Vacuum Science & Technology B, 2023, 41(6): 064002.
    [14] SILAKHORI K, NESHATI R, GHOOCHANI D E, et al. A parametric study on the effects of the electrode size on the performance of a small-size RF-excited fast-axial-flow CO2 laser[J]. Journal of Russian Laser Research, 2023, 44(4): 399-406. doi: 10.1007/s10946-023-10147-5
    [15] MOGHBELI F, HE D, ALLCOCK G, et al. Impedance matching in radio-frequency discharge excited waveguide lasers[J]. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1984, 17(12): 1159-1164. doi: 10.1088/0022-3735/17/12/019
    [16] 杨金法, 彭虎. 非线性电子线路[M]. 北京: 电子工业出版社, 2003.

    YANG J F, PENG H. Nonlinear Electronic Circuits[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003. (in Chinese) (查阅网上资料, 未找到对应的英文翻译, 请确认) .
  • 加载中
图(11) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  58
  • HTML全文浏览量:  68
  • PDF下载量:  5
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 网络出版日期:  2024-11-12

目录

    /

    返回文章
    返回