Instrumentación

Power dissipation in a capacitive coupled 450 khz discharge set up for a CO₂ laser

J. de la Rosa, J. Corredor, J. Yaljá, F. Gallegos, and P.A. Calva

ESIME–IPN, 07738 México, D.F., e–mail: jos_delarosa@yahoo.com.mx

Recibido el 30 de enero de 2007
Aceptado el 27 de abril de 2007

Abstract

In order to find the power dissipation in a 450 kHz capacitive coupled CO₂ laser system using a 50 Ω π matching network, we investigate its electrical behavior. Current and voltage evolution and the phase delay in all the circuit elements were measured with calibrated Rogowski coils and high voltage probes. The signals were registered using a digital oscilloscope interfaced to a PC. When the supplied power lay between 0.5 and 1 kW, the signals had a non–distorted sinusoidal form. This allowed to make the power dissipation estimation in the circuit elements using their current and voltage peak values, and their phase delay. Phase measurements were made with ± 0.3° accuracy, which gives an accuracy of ± 1.5% in the laser chamber power dissipation estimation. The laser chamber power dissipation is estimated at between 30 and 50% of the supplied power, and the rest is consumed in the matching circuit. The power losses in the matching circuit greatly contribute to the poor total system efficiency (≈ 0.8%). The estimated resistance and capacitance values of the laser chamber are also presented.

Keywords: Laser; discharge; r.f.

Resumen

Se investiga el comportamiento eléctrico de un láser de CO₂ excitado a través de una descarga capacitiva de 450 kHz con el fin de determinar la potencia disipada en la cámara de descarga y en la red de acoplamiento entre la fuente de radio frecuencia y la cámara de descarga. Para medir la evolución temporal de la corriente y voltaje, así como el corrimiento de fase entre ambas, en cada elemento del circuito, se usaron bobinas de Rogowski y puntas de alto voltaje calibradas. Las señales fueron registradas en un osciloscopio digital y almacenadas en una PC. Cuando al sistema se suministra potencia entre 0.5 y 1 kW, las corrientes y voltajes en el circuito muestran una evolución sinusoidal no distorsionada, lo que permite una estimación de la potencia disipada en cada elemento usando los valores pico de su corriente y voltaje, y del corrimiento de fase entre ambas. Se realizaron mediciones de fase con una incertidumbre de 0.3°, lo cual genera una incertidumbre de 1.5% en la estimación de la potencia disipada en la cámara de descarga. Se estima que la potencia disipada en la cámara de descarga es del 30 al 50% de la potencia suministrada y el resto se consume en la red de acople, razón por la cual la eficiencia total del láser es muy pobre (≈0.8%). Con las mediciones realizadas se determinó también la resistencia y capacitancia equivalente de la cámara de descarga.

Descriptores: Láser; descargas; r.f.

PACS: 42.60.Lh; 52.80.Pi; 84.37.+q

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