膠水粘接裝調(diào)方法研究

熊 明

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

0 引言

通常激光器內(nèi)部光腔內(nèi)元件常采用光學(xué)鏡架來完成其安裝和調(diào)整工作，然而對于一些元件密度較高的光腔，由于光學(xué)鏡架的尺寸遠(yuǎn)大于元件本身尺寸，極大地限制了光腔內(nèi)部的光路設(shè)計(jì)，因此本文提出了一種新的光學(xué)元件裝調(diào)技術(shù)——膠水粘接裝調(diào)方法，利用該項(xiàng)技術(shù)無須光學(xué)鏡架即可實(shí)現(xiàn)對光學(xué)元件的裝調(diào)定型。圖1為兩種不同裝調(diào)方式裝配光學(xué)元件的效果對比，可以看到，相比傳統(tǒng)的光學(xué)鏡架的裝調(diào)方式，膠水粘接裝調(diào)方法裝配的光腔結(jié)構(gòu)簡單緊湊，適合裝配高元件密度的激光器光腔，也是未來激光器朝小型化發(fā)展的一種重要裝配手段。因此，開展光學(xué)元件的膠水粘接裝調(diào)方法的研究工作意義重大。

圖1 a 光學(xué)鏡架搭建光腔

圖1 b 膠水粘接方式搭建光腔

1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)膠水粘接方法的特點(diǎn)開展了其技術(shù)方案的設(shè)計(jì)工作。考慮到裝調(diào)效率問題，本文選擇采用紫外固化膠水（Ultraviolet Curing Glue，UV膠水）進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，這種膠水通過一定強(qiáng)度的紫外光照射后即可迅速固化，且具有黏結(jié)強(qiáng)度高、應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，每次粘接的膠水用量也是影響裝調(diào)效果的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此實(shí)驗(yàn)采用一套自動點(diǎn)膠機(jī)來精確控制每次裝配流程的膠水用量，提高了膠水粘接技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。

在此基礎(chǔ)上，針對單個(gè)光學(xué)元件設(shè)計(jì)了其裝調(diào)流程，主要分為以下步驟：（1）首先通過機(jī)械抓手將元件移至待裝配位置上方，調(diào)整元件的位置及姿態(tài)至待裝配狀態(tài)。（2）通過自動點(diǎn)膠機(jī)在基板上的元件目標(biāo)位置處進(jìn)行定量點(diǎn)膠操作，降低元件高度使之與基板上膠水粘接，然后精確調(diào)整元件位置和姿態(tài)至目標(biāo)狀態(tài)。（3）選定合適的紫外燈功率及照射時(shí)間，對元件與基板粘接處的膠水進(jìn)行照射固化。（4）待膠水完全固化且元件角度逐步穩(wěn)定后松開機(jī)械抓手，即完成一次裝配。

通過設(shè)計(jì)的膠水粘接方法流程，即可實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的安裝固定，且裝配流程中主要部分均可實(shí)現(xiàn)自動化控制，可以減少人為操作帶來的誤差和不便，保障了裝配效果。

2 關(guān)鍵因素實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步完善光學(xué)元件的膠水粘接裝調(diào)技術(shù)，針對裝配流程中的膠水類型、膠水用量等關(guān)鍵因素開展了實(shí)驗(yàn)研究工作。

本實(shí)驗(yàn)挑選以下幾種適合的紫外固化膠水（Thorlab公司NOA61型、Dymax公司OP-67-LS型以及Dymax公司OP-4-26032型）進(jìn)行裝配對比實(shí)驗(yàn)（見表1）。

表1 紫外固化膠水參數(shù)

實(shí)驗(yàn)得到不同膠水粘接時(shí)光學(xué)元件偏移角度的變化情況如圖2所示。可以看到，粘接初期由于膠水固化收縮導(dǎo)致偏移角度逐漸增加，當(dāng)松開機(jī)械抓手時(shí)（10 min時(shí)刻），由于存在應(yīng)力釋放過程，因此偏移角度均產(chǎn)生小幅度變化，最終光學(xué)元件的偏移角度變化趨勢隨時(shí)間達(dá)到相對平穩(wěn)狀態(tài)。從實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果來看，NOA61型膠水粘接元件的偏移角度最大（141.63μrad），OP-67-LS型膠水的其次（103.53μrad），OP-4-26032型膠水的最小（45.27μrad），即可以認(rèn)為采用OP-4-26032型膠水的裝配誤差最小。因此OP-4-26032型膠水是更適合目前實(shí)驗(yàn)中紫外固化膠水粘接工藝的膠水類型。

圖2 不同膠水粘接過程中元件偏移角度變化

確定膠水型號后，進(jìn)一步開展了不同膠水用量的裝配對比實(shí)驗(yàn)。為了控制每次裝配實(shí)驗(yàn)的膠水用量，將自動點(diǎn)膠機(jī)氣壓固定設(shè)置為30psi，選擇不同的吐膠時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對膠水用量的精確控制。實(shí)驗(yàn)選擇0.05s、0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s等不同吐膠時(shí)間進(jìn)行裝配過程對比實(shí)驗(yàn)，得到不同膠水用量下光學(xué)元件偏移角度的變化情況如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線以各自的吐膠時(shí)間命名。可以看到，粘接初期由于膠水固化收縮效果導(dǎo)致偏移角度逐漸增加，由于機(jī)械抓手在此期間一直保持夾持狀態(tài)，因此當(dāng)偏移角度大小達(dá)到峰值后開始逐漸回落，當(dāng)松開機(jī)械抓手時(shí)（5min時(shí)刻），由于存在應(yīng)力釋放過程，因此偏移角度均產(chǎn)生小幅度變化，最終光學(xué)元件的偏移角度變化趨勢隨時(shí)間達(dá)到相對平穩(wěn)狀態(tài)。從實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果來看，當(dāng)吐膠時(shí)間為0.2s時(shí)的膠水用量下，光學(xué)元件最終的裝配角度偏移最低（33.62μrad）。這說明針對這一光學(xué)元件的裝配過程的膠水用量存在一個(gè)中間的最佳值，這是因?yàn)楫?dāng)膠水用量偏低時(shí)，膠水與光學(xué)元件粘接的接觸面積更小，導(dǎo)致粘接牢固程度偏低，最終光學(xué)元件的偏移角度偏高。而膠水用量偏高時(shí)，雖然膠水與光學(xué)元件粘接面積增加了，但是膠水的固化收縮效應(yīng)也變大了，導(dǎo)致最終的偏移角度偏高。通過該對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對于本實(shí)驗(yàn)采用膠水（OP-4-26032型UV膠水）粘接方式裝配的光學(xué)元件，裝配過程中的最佳膠水用量應(yīng)為吐膠時(shí)間0.2s（氣壓為30psi）。

圖3 不同膠水用量裝配過程對比實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文提出了一種無須光學(xué)鏡架即可實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件裝配的新技術(shù)——膠水粘接裝調(diào)方法，并根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn)完成了整體方案設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了該技術(shù)流程中膠水類型及膠水用量等關(guān)鍵因素的實(shí)驗(yàn)研究，確定當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)膠水型號為OP-4-26032型UV膠水，最優(yōu)膠水用量為吐膠時(shí)間0.2s（氣壓為30psi）。通過實(shí)驗(yàn)研究掌握了膠水粘接方法的關(guān)鍵核心技術(shù)，提高了裝調(diào)工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化程度，為高元件密度型激光器光腔的裝調(diào)提供了一種可靠的新方法。