專利名稱：具有實時監(jiān)控功能的激光固化機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固化機，特別涉及帶有通過拉曼光譜分析的方法進行實時監(jiān)控的激光固化機。
背景技術：
隨著固體激光器技術的高速發(fā)展，激光器有可能取代傳統燈光源成為新一代緊湊、高效、低功耗的固化光源。基于激光器的固化光源適用于許多應用，包括但不限于高精度組裝、牙齒樹脂固化和微型生物學器件等。這樣的應用要求最優(yōu)固化條件下的精確和快速固化，例如低收縮、該強度、低外溢和最小的側熱生成。對這些應用，很希望對材料的固化狀態(tài)進行實時監(jiān)控以取得最好的固化效果和最高的生產率。
目前已有的固化檢測方法可以分成三類。第一類方法采用硬度、剪切力測量等手段對材料的固化程度進行離線分析。第二類方法涉及利用植入式傳感器。例如，在國際公開號WO02066220和美國發(fā)明專利6456895中，溫度傳感器被用來監(jiān)測材料在固化過程中的溫度變化。在美國發(fā)明專利5955002、5100802和5606171中，熒光劑被加入材料中以實現對固化過程的監(jiān)測。國際公開號WO9719325利用光纖光柵傳感器監(jiān)測材料的固化過程。美國發(fā)明專利4921415和5911159利用超聲波傳感器監(jiān)測材料的固化過程。第三類方法通過監(jiān)測材料某些物理特性的變化實現對其固化程度的監(jiān)測。例如，國際公開號WO0034770采用機械諧振分析的方法監(jiān)測材料的固化。歐洲發(fā)明專利1353168和美國發(fā)明專利4891591、4399100通過分析材料電阻或電抗特性的變化來監(jiān)測材料的固化過程。美國發(fā)明專利4874948利用一種非接觸式溫度傳感器分析材料的固化程度。
最近，拉曼光譜分析的方法被證明可以用來對材料的固化程度進行現場、非破壞性的監(jiān)測。例如，Mikael Skrifvars等人在其文章“Process cure monitoring of unsaturated polycster resins，vinyl esterresins，and gel coats by Raman spectroscopy”(Journal of AppliedPolymer Science，Vol.93，2004)中通過測量C＝C鍵(1620cm-1)和C＝O鍵的拉曼信號相對強度變化來監(jiān)測材料的固化程度。在他們的實驗中，一臺830nm、300mW的半導體激光器被用作激發(fā)拉曼信號的光源。在另一篇文章“Precise determination of percent cure of epoxidepolymers and composites via fiber-optic Raman spectroscopy andmultivariate analysis”(Applied Spectroscopy，Vol.51，1997)中，JeffreyF.Aust等人利用C-H拉伸振動鍵(2870-3000cm-1)的拉曼信號強度來監(jiān)測材料的固化程度。在他們的實驗中，一臺488nm、30mW的氬離子激光器被用作激發(fā)拉曼信號的光源。類似的報道也見諸于一些拉曼光譜儀生產廠商，例如Real-Time Analyzers的應用報告中。
利用拉曼光譜分析進行固化監(jiān)控的困難在于成本高昂。拉曼光譜分析監(jiān)控器通常要求具有窄譜線寬度的激光光源和超敏感光譜儀，這二者的價格往往非常昂貴，甚至遠遠超過光固化系統本身。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是克服上述現有技術的缺點。
為了實現上述和其他的目的，本發(fā)明提供一種激光固化機，該激光固化機通過拉曼光譜分析檢測器進行實時、非破壞性的監(jiān)控。與現有技術不同，在本發(fā)明中在該固化激光器本身作為拉曼激發(fā)光源。由于不需要額外的激光光源，監(jiān)控系統的成本大大降低。另外，固化用激光光源通常在幾毫瓦到幾千毫瓦的范圍，這依賴于材料和固化面積。這一功率水平足以激發(fā)比較強的拉曼信號。另外，由于固化激光器的波長一般選擇與材料的吸收帶相吻合，拉曼信號可以通過共振拉曼效應得到進一步的增強(100-1000倍)。以上因素使該方法對光譜儀靈敏度的要求大大降低，從而使利用低成本光譜儀進行拉曼光譜分析成為可能。
本發(fā)明的目的之一是提供一種基于激光器的高精度材料固化光源。這里激光器可以是半導體激光二極管(LD)、半導體泵浦的固體激光器(DPSSL)或其他種類的激光器。根據待固化材料的特性，該激光器的波長可以在紫外/可見光(UV/VIS)范圍內以產生光致化學反應，或者該激光器的波長也可以在近紅外/紅外(NIR/IR)范圍內以產生熱化學反應。由于激光器的譜線寬度比較窄，其波長可以和待固化材料的吸收帶很好地吻合，從而取得高于傳統燈光源的固化效率。另外，由于激光光束的幾何尺寸小，很容易精確控制，使得該光源特別適用于高精度固化應用。還可以利用輔助光學系統擴展激光束的尺寸以適應其他應用。根據不同材料的需要，該激光固化光源既可以工作在連續(xù)(CW)模式也可以通過直接調制或外調制而工作在脈沖模式?？梢酝ㄟ^控制激光脈沖的寬度和脈沖頻率使其與材料的熱遲豫周期相吻合，從而取得在固定強度、表明硬度、操作收縮、固化速度和熱生成發(fā)明的更好的固化效果。
本發(fā)明的目的之二是利用光譜分析器在固化過程中測量材料的激發(fā)拉曼信號，該拉曼信號是通過固化激光器本身激發(fā)的。該拉曼信號包含該材料的機構信息，被用作指標來監(jiān)控固化狀態(tài)。這里光譜分析儀器可以是采用通用的光譜儀，這種光譜儀包括波長選擇組件(光柵、光干涉儀或可調諧光濾波器等)，也可以是光檢測器和光檢測器陣列。或可以是采用幾個固定波長的光學濾波器和光探測器來測量某些相關波段的拉曼信號的專用光譜儀。
本發(fā)明的目的之三是利用所得到的拉曼信號來對激光器的功率、光強、脈沖寬度、占空比和脈沖頻率所時間的變化等進行控制，從而取得更好的固化效果。根據現有的研究結果，檢測器指出固化達到最優(yōu)狀態(tài)，激光器可以由反饋控制系統自動關斷(turn off)以防止材料過度固化。


本發(fā)明的優(yōu)選實施例將通過參考附圖來詳細進行描述，其中圖1(a)是本發(fā)明的帶有用于實時固化監(jiān)控的光譜儀的激光固化機示意圖；圖1(b)是本發(fā)明的帶有用于實時固化監(jiān)控的光譜儀的激光固化機另外示意圖；圖1(c)是圖1(a)或(b)中光譜儀的結構框圖；圖2(a)是一種紫外光固化膠在375nm固化激光下產生的拉曼/熒光光譜；圖2(b)是該紫外光固化膠C-H鍵拉曼信號強度隨固化過程的變化曲線；圖3(a)是一種環(huán)氧膠在785nm固化激光下產生的拉曼/熒光光譜；圖3(b)是該環(huán)氧膠環(huán)氧鍵拉曼信號強度隨固化過程的變化曲線。
具體實施例方式
以下參考附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1(a)和圖1(b)示出了激光固化機的示意圖。在圖1(a)中，固化激光器10產生激光光束11，后者通過輔助光學系統12整形(聚焦、擴束或準直)后被待固化材料13吸收并導致和/或加速其聚合過程。在固化過程中，激光光束11從材料13激發(fā)拉曼/熒光信號14。使用光譜分析儀器15來收集并分析該拉曼/熒光信號14，并生成拉曼/熒光光譜16，后者包含拉曼信號17和熒光背景信號18。由于拉曼信號17的強度和波長位置與反應材料特性的分子振動/轉動能級密切相關，該拉曼信號在固化過程中的變化可以用來實時監(jiān)測材料的固化狀態(tài)。這一固化狀態(tài)可以輸出給激光固化機的操作員以進行進一步的固化控制。在圖1(b)中，固化激光器20產生激光光束21，后者通過輔助光學系統22整形后對待固化材料23進行固化并激發(fā)拉曼/熒光信號24。這一過程類似于圖1(a)中的方法。由光譜分析儀器25測量到的拉曼信號被用來通過反饋控制系統26對光學系統22和固化激光器20的操作參數進行實時性的反饋控制，從而調節(jié)激光光束21的功率、光強、脈沖寬度、占空比和脈沖頻率等參數，以取得最佳的固化效果。
如圖1(c)所示，光譜分析儀器15或25包含一個或數個波長選擇器件30，一個或數個光探測器或光探測器陣列31，和一臺微處理器32。該微處理器能夠執(zhí)行為實現這里公開的本發(fā)明的操作所需的計算。對于通用的光譜分析儀器，波長選擇器件30可以是光柵、光干涉儀或可調諧光濾波器等等。對于專用的光譜分析儀器，波長選擇器件30可以是固定波長的光濾波器以使得光探測器31可對某些相關波段拉曼信號進行測量。
在本發(fā)明的第一個實施例中，一臺375nm、輸出功率為5mW的紫外半導體激光器被用來作為固化光源和拉曼信號激發(fā)光源。該激光器的輸出譜線寬度小于1nm。待固化材料是Norland Products Inc.生產的NOA63系列紫外光固化膠。該光固化膠在固化前是可見光范圍內的無色透明液體。根據該光固化膠的說明，完全固化大約需要5分鐘左右。在本實施例中，激光光束首先被準直到光束直徑1.5mm左右，然后照射到光固化膠樣品上。激光光束被固化膠吸收并激活其中的光敏劑以觸發(fā)聚合反應。光固化膠在聚合過程中產生的拉曼/熒光信號通過一臺基于衍射光柵和硅線陣CCD的通用光譜儀進行測量。該光譜儀的測量波長范圍為300-750nm，光譜分辯率＜1nm。光譜儀的積分時間設為30s，即該光譜儀在30秒內完成一次光譜測量。在5分鐘的固化時間內，利用該光譜儀對光固化膠的拉曼/熒光信號進行連續(xù)測量，所得拉曼/熒光光譜如圖2(a)所示。從圖中可以看到，該拉曼/熒光光譜包含一強的寬帶熒光背景信號和一個2960cm-1附近弱的窄帶拉曼信號。這一拉曼信號是由Jeffrey F.Aust等人在其文章中報道的-CH3、-CH2、-CH拉伸模式或其組合引起的。在固化過程中，熒光信號的強度逐漸減弱而拉曼信號的強度則逐漸增強。根據拉曼/熒光光譜確定的該拉曼信號的有關峰值強度強度，并在圖2(b)中示出。從圖中可以看到，拉曼信號的強度很好地表征了光固化膠的固化程度。這一結論為固化后的硬度測量實驗所證實。
在本發(fā)明的第二個實施例中，一臺785nm、輸出功率為600mW的近紅外半導體激光器被用來進行光致熱固化，待固化材料是Tra-ConInc.生產的Tra-bond 2116系列熱固化環(huán)氧膠。該環(huán)氧膠是一種兩組分的環(huán)氧膠，固化前呈乳白色凝膠狀。根據產品說明，兩種組分混合后在常溫(25℃)下固化時間為24小時，在65℃下固化時間為4小時。該激光器的輸出功率是600mW并且輸出譜線寬度不到0.5nm。一臺CCD陣列光譜儀被用來測量環(huán)氧膠的拉曼/熒光信號。光譜儀的測量波長范圍為750-1050nm，光譜分辯率為10cm-1，光譜儀的積分時間設為60s。在本實施例中，待固化環(huán)氧膠樣品的尺寸約為3×3mm，激光光束被聚焦到樣品表面上并被材料樣品散射吸收以均勻固化。由激光照射導致環(huán)氧膠樣品溫度上升到80℃左右。在75分鐘的固化過程中，我們每隔3分鐘對環(huán)氧膠的拉曼/熒光信號進行光譜測量，其中所測得環(huán)氧膠在固化前和固化后的拉曼/熒光光譜如圖3(a)所示。從圖中可以看到，位于1260cm-1的環(huán)氧鍵拉曼信號(圖3(a)中2號峰)強度因固化過程中環(huán)氧乙烷環(huán)的打開而減弱，而位于1610cm-1的苯環(huán)拉曼信號(圖3(a)中1號峰)強度則基本保持不變，后者可作為參照。同時，胺鍵的拉曼信號(圖3(a)中3號峰)強度也有所減弱，因其涉入該反應。其中環(huán)氧鍵拉曼信號強度隨固化時間的變化曲線如圖3(b)所示。可以看到，1260cm-1環(huán)氧鍵強度的變化符合高斯模型。這一結果和Real-Time Analyzers在其應用報告中用傅立葉變換拉曼光譜儀測得的結果完全一致。類似地，圖3(a)中胺鍵拉曼信號的強度變化也可以用來監(jiān)測環(huán)氧膠的固化程度，而不變的苯環(huán)拉曼信號則可以用作參考。
本說明書中所討論的實施例只是用于說明利用固化光源所產生的拉曼/熒光信號進行固化監(jiān)控的方法，任何不脫離這一固化監(jiān)控方法基本思想的實施例都應視為在本發(fā)明所包含的范圍之內。說明書中所出現的數字和材料只是用于舉例，激光光源也可以用其他光源例如發(fā)光二極管所取代。因此，本發(fā)明的范圍僅由權力要求書來限定。
權利要求
1.一種激光固化機，用于對材料進行光致固化并對固化過程進行實時監(jiān)控，該激光固化機包含(a)激光器，產生選擇波長的激光光束用于對材料進行光致固化并從該材料激發(fā)拉曼/熒光信號；和(b)光譜分析儀器，用于接收該拉曼/熒光信號以實時測量該拉曼/熒光信號的光譜，并根據所測量的光譜確定有關該固化過程的固化狀態(tài)信息。
2.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述光譜分析儀器根據在該固化過程期間其拉曼信號光譜的強度和波長位置的變化來確定該固化狀態(tài)信息。
3.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述激光器可以是半導體激光器、固體激光器、氣體激光器或窄帶發(fā)光二極管。
4.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述激光器產生紫外/可見光用于對材料進行光致化學固化。
5.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述激光器產生近紅外/紅外光用于對材料進行光致熱固化。
6.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述激光器工作在連續(xù)模式。
7.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述激光器工作在脈沖模式。
8.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述光譜分析儀器包含光波長選擇器件和光探測器件或光探測器件陣列，并且其中所述光波長選擇器件包含光柵、光干涉儀或可調諧光濾波器。
9.如權利要求1所述的激光固化機，其中所述光譜分析儀器包含多個固定波長光濾波器和多個光探測器。
10.如權利要求1所述的激光固化機，還包含輸出設備，用于將所述光譜分析儀器測得的材料固化狀態(tài)輸出給操作員。
11.如權利要求1所述的激光固化機，還包含輔助光學系統以控制激光光束的特性。
12.如權利要求11所述的激光固化機，還包含反饋控制系統，該反饋控制系統根據所述光譜分析儀器測得的材料固化狀態(tài)信息來控制所述輔助光學系統和所述激光器的特性以優(yōu)化該固化過程。
13.如權利要求12所述的激光固化機，當其中所述光譜分析儀器指出該固化過程完成時，該反饋控制系統自動將激光器關斷。
14.一種激光固化方法，用于對材料執(zhí)行光致固化過程并對該固化過程進行實時監(jiān)控，該激光固化方法包含(a)使激光光束照射在該材料上，該激光光束具有選擇的波長，用于對該材料進行光致固化并從該材料激發(fā)拉曼/熒光信號；(b)實時測量該拉曼/熒光信號的光譜；(c)根據所測得的拉曼/熒光光譜確定有關該固化過程的固化狀態(tài)信息。
15.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述步驟(c)包含根據該固化過程期間該拉曼/熒光光譜的強度和波長位置的變化來確定該固化狀態(tài)信息。
16.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述步驟(a)包含用半導體激光器、固體激光器、氣體激光器或窄帶發(fā)光二極管產生激光光束。
17.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述激光光束的波長在紫外/可見光范圍內以進行光致化學固化。
18.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述激光光束的波長在近紅外/紅外光范圍內以進行光致熱固化。
19.如權利要求14所述的激光固化方法，其中激光光束是連續(xù)光束。
20.如權利要求14所述的激光固化方法，其中激光光束是脈沖光束。
21.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述步驟(b)由光波長選擇器件和光探測器件或光探測器件陣列來執(zhí)行，其中所述光波長選擇器件包含光柵、光干涉儀或可調諧光濾波器。
22.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述步驟(b)由多個固定波長光濾波器和多個光探測器執(zhí)行。
23.如權利要求14所述的激光固化方法，其中由光譜分析儀器所測得的該材料的固化狀態(tài)被傳送給操作員用于進一步監(jiān)控。
24.如權利要求14所述的激光固化方法，其中所述步驟(a)包含控制激光光束的特性。
25.如權利要求24所述的激光固化方法，其中步驟(a)進一步包含使用在步驟(b)測得的該材料的固化狀態(tài)信息來控制輔助光學系統和激光器的特性以改進該固化過程。
26.如權利要求25所述的激光固化方法，其中步驟(a)包含當光譜分析儀器指出該固化過程完成時自動將激光器關斷。
27.一種固化機，用于對材料執(zhí)行固化過程，并對該固化過程進行實時監(jiān)控，該固化機包含(a)光源，產生選定波長的光束，對材料進行光致固化并從該材料激發(fā)拉曼/熒光信號；和(b)光譜分析儀器，用于接收該拉曼/熒光信號以實時測量該拉曼/熒光信號的光譜，并根據所測量的拉曼/熒光光譜確定有關該固化過程的固化狀態(tài)信息。
28.一種對材料執(zhí)行固化過程并對該固化過程進行實時監(jiān)控的方法，該固化方法包含(a)使光束照射在該材料上，該光束具有選定波長，對材料進行光致固化并從該材料激發(fā)拉曼/熒光信號；(b)實時測量該拉曼/熒光信號的光譜；和(c)根據測得的拉曼/熒光光譜確定有關該固化過程的固化狀態(tài)信息。
全文摘要
一種基于激光器的固化機，其中激光器既作為固化光源又作為拉曼光譜傳感器的激發(fā)光源。所述光譜傳感器通過拉曼光譜實現對材料固化狀態(tài)的實時、現場、非破壞性監(jiān)測。光譜信息還可以用于控制激光器的操作參數以達到最佳固化效果。
文檔編號G01J3/44GK101076713SQ200580037046
公開日2007年11月21日 申請日期2005年8月29日 優(yōu)先權日2004年8月27日
發(fā)明者王曉路, 厲群, 李慶熊 申請人:Bwt財產公司