CN101788713A - 半导体激光胶水固化装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光胶水固化装置及应用方法。该装置包括半导体激光光源、光束整形系统、光束传输系统、光束扫描系统、光学聚焦系统等。通过半导体激光二极管产生的激光光源，然后采用光束整形系统和光束传输系统对半导体激光光源进行整形传输，再通过光学聚焦系统将半导体激光光源聚焦到合适的光斑大小和工作位置，对工件或胶水进行照射，使胶水的温度快速升高，胶水得以快速固化。本发明可以对工件局部或定点加热具有固化快速、成本低廉、能量利用率高等效益。本发明可广泛应用于各种胶水加热固化领域。

Description

半导体激光胶水固化装置及应用方法

技术领域

本发明属于激光应用领域，特别是一种半导体激光胶水固化装置及应用方法，它适于各种胶水加热快速固化应用。

技术背景

胶水在各种行业有着广泛的应用，尤其是热固化胶水。为了使得胶水得以快速固化，提高生产效率，需要提高胶水固化的环境温度。通常的做法是，将调制好的胶水涂覆在需要粘接的工件上后，再将工件放置在一个温度恒定的烤箱中进行加热，使胶水快速固化，达到工件粘接的目的。然而，烤箱的体积一般比较庞大，耗电量很高，因此能量的利用率较低，成本较高。另外，因为要将整个工件放置在烤箱中，烤箱的温度不易太高，否则会使工件的某些附件由于过高温度而导致损坏。因此，烤箱加热固化的效率无法进一步提高。此外，由于烤箱体积较大，因此要将温度升至预期温度需要一定的时间，并且，烤箱内部温度分布也不是很均匀。

发明内容

本发明的目的正是为了解决上述现有技术中所存在的诸如能量利用率低、效率不足和成本较高等问题而提供的一种半导体激光胶水固化装置及应用方法。激光具有较好的聚焦特性、能量密度高，可对工件进行局部照射、加热。具有定点加热和固化快速的优势，成本低、能量利用率高。

本发明的目的是通过以下方案实现的：利用光束整形系统将半导体激光二极管发出的激光光源整形，或聚焦耦合进传能光纤进行传输，或自由空间传输；再利用光学整形、聚焦系统将输出的激光光束整形、聚焦，在合适的工作距离位置得到理想的聚焦光斑大小；将聚焦后的光束照射在工件的表面，对工件表面进行加热快速升温，胶水得以快速固化；或将光束直接照射在胶水上，使胶水快速升温固化。半导体激光胶水固化，其方法是采用热传导方式间接对胶水进行加热升温，使胶水快速固化；或采用直接照射方式，是胶水快速升温固化。热传导方式适用于所有金属件与其他材料工件之间的粘接；直接照射方式适用于任何胶水热固化粘接。所述的热传导方式，激光照射工件的位置，应当尽量靠近工件的粘接处，但又不直接照射到胶水上。激光照射工件的方式，可以采用单光束照射，也可以采用双光束照射，还可以采用多光束同时照射等。照射光束的数量根据工件的实际尺寸和形状而定。采用双光束和多光束照射方式时，不同光束照射在同一工件的不同位置，但一般采用对称照射的方式，即各照射位置相对粘接工件存在一个近似对称关系。

一种半导体激光胶水固化装置，它包括半导体激光二极管(1)、光束整形系统(2)、光束传输系统、光束扫描系统(10)、光束聚焦系统(3)，其特征是，半导体激光二极管(1)产生的半导体激光光源(4)经过光束整形系统(2)的若干个光学整形和聚焦、或准直光学元件后进行传输；所述的激光光源(4)在传输一定距离之后，再经过光学聚焦系统(3)整形聚焦，对工件或胶水进行照射，使胶水的温度快速升高，胶水得以快速固化。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，所述的半导体激光二极管(1)可以是单管，或者是由多个单管组成的二极管Bar条，或者是由多个Bar条组成的堆栈。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，光束整形系统(2)是由若干个柱面透镜、球面透镜组成。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，光束聚焦系统(3)是由若干个球面透镜或一个平场透镜组成。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，光束扫描系统(10)是由空间交错设置的两个反射镜组成。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置的应用方法，其激光照射方式可以是直接照射胶水使胶水升温，或激光照射在胶水附近，通过热传导方式使胶水升温；可以是定点照射，或根据工件的形状和尺寸采用动态扫描方式照射，或根据工件的形状和尺寸采用光束整形和光束掩膜方式照射；可以在涂敷胶水的正面照射，或在涂敷胶水的背面照射。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置的应用方法，其半导体激光二极管发出的激光源，可以采用光纤耦合传输方式，或者采用光束自由空间传输方式。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置的应用方法，其用于胶水固化的照射激光束，可以是一路、两路或者多路，即可以采用一路、两路或者多路光束同时对同一个固化位置进行照射，但不同的光束可以照射在不同的点。

本发明所述的一种半导体激光胶水固化装置的应用方法，其完成一次加热固化的激光照射的时间在1秒至60秒内——根据工件材料、尺寸不同来确定。

本发明具有构思新颖、设计合理、结构紧凑、操作简便、成本低廉，能量利用率高；由于激光有效好聚焦特性、能量密度高，可以对需粘接的工作进行局部或定点照射、加热和固化快速的优势等有益效果。本发明可以广泛应用于各种胶水加热固化的领域。

附图说明

图1：半导体激光胶水固化装置的结构示意图；

图1中，半导体激光二极管模块(1)发出的激光光源(4)通过光束整形系统(2)后进行传输，然后再经过聚焦系统(3)(包括扫描系统)将光束照射在工件(5)需要粘接的位置(6)附近或直接照射在涂覆胶水的粘接处，使胶水快速固化，实现工件(5)与(7)的快速粘接。

图2：半导体激光二极管光束准直结构示意图；

图2中，半导体激光二极管(1)(或Bar条)发出的激光光束(4)经过光束整形系统(2)准直，光束整形系统(2)由柱面透镜、球面透镜组成。

图3：单通道半导体激光胶水固化装置的示意图；

图3中，半导体激光二极管(1)发出的激光光束(4)通过光束整形系统(2)后进入传能光纤(9)进行传输，光纤输出的光束再经过聚焦系统(3)聚焦到工件(5)与(7)粘接位置(6)的附近照射。

图4：双通道半导体激光胶水固化装置的示意图；

图4中，半导体激光二极管(1)发出的激光光束(4)通过光束整形系统(2)后进入传能光纤(9)进行传输，光纤输出的光束再经过聚焦系统(3)聚焦到工件(5)与(7)粘接位置(6)的附近照射。采用两路光束同时进行照射，分别照射粘接位置的两侧，使胶水能够较为均匀地升温，固化效果更佳。

图5：扫描式照射方式结构示意图；

图5中，准直后的激光束(4)通过扫描系统(10)(扫描系统由空间交错设置的两个反射镜组成)和平场透镜(11)即聚焦系统(3)设定聚焦光束的扫描路径(13)，扫描路径(13)由工件(12)的形状决定。聚焦光束在工件(5)和(12)粘接位置(13)的附近照射。

图6：直接照射固化方式示意图；

图6中，传能光纤(9)输出的半导体激光束(4)经过准直系统(2)、聚焦系统(3)后，直接照射在涂覆胶水的粘接位置(6)，对胶水直接加热固化，实现工件(5)和(7)的快速粘接。

图7：背向照射固化方式示意图；

图7中，传能光纤(9)输出的半导体激光束(4)经过准直系统(2)、聚焦系统(3)后，照射在涂覆胶水的粘接位置(6)背面，通过热传导方式使胶水加热固化，实现工件(5)和(7)的快速粘接。

(五)具体实施方式

本发明所涉及的一种半导体激光胶水固化装置及应用方法，其技术方案结合附图1至7详细叙述如下：

本发明的激光源由半导体激光二极管1(取中心波长980nm为光束4)产生，二极管1可以为单管或者由许多二极管单管组成的Bar条；半导体激光二极管发出的光束4，经过光学整形系统2整形、准直或聚焦进行传输，传输方式为自由空间光束传输或耦合进传能光纤9(取光纤长度为3m，纤芯直径为0.2mm，数值孔径0.22)进行传输；然后传输的激光束4再经过光学准直或聚焦系统3整形、聚焦；光学准直或聚焦系统3由单片透镜或多片透镜组成，所有透镜的两面都镀有半导体二极管发射激光波长的增透膜。

所述的半导体激光胶水固化方法以热传导方式工作时，准直或聚焦后光束照射在金属工件5的表面，照射位置靠近需要粘接的工件位置6，但不直接照射在涂覆胶水的位置，即光束不直接照射在胶水上；光束照射在工件粘接位置的正面(图3-6)或背面(图7)。

所述的半导体激光胶水固化方法以直接方式工作时(图6)，准直或聚焦后光束照射在涂覆胶水的位置，对胶水直接加热升温，使胶水快速固化。

所述的半导体激光胶水固化方法以扫描方式工作时(图5)，扫描照射的路径13由工件12的形状决定，扫描系统由空间交错设置的反射镜组成。

具体设计范例如下：以图3为例，按照图3在光路上放置各部分器件，包括光纤耦合半导体激光二极管1、光束整形系统2、传能光纤9、光纤光学聚焦系统3和工件5、7；光纤耦合半导体激光二极管模块由半导体激光二极管1和光束整形系统2组成；光束整形系统2由两片柱面透镜和一片球面透镜组成；半导体激光二极管1发出的波长为980nm的光束4，经过光纤耦合系统2耦合进入纤芯直径为0.2mm的光纤9并进行传输，光纤9的长度为3m，数值孔径为0.22；光纤9输出的激光束4，再通过光纤光学聚焦系统3进行整形、聚焦；光纤光学聚焦系统3由四片透镜组成，分别对光纤输出的光束进行准直、消像差、聚焦，透镜的两面都镀有980nm激光增透膜，在距离最后一片透镜大约50mm处得到光斑的大小为0.2mm；聚焦光束的焦点位置在工件5的表面。

使用的光纤耦合半导体激光模块数量为一个，传能光纤的数量为一根，光纤光学聚焦系统也为一个，即采用单光路输出方式。聚焦光束照射在工件5与7需要粘接位置6的一侧。工件5和12被激光照射的位置迅速升温，并通过热传导方式将胶水加热，胶水得以快速固化。

激光的照射时间依工件的材料、尺寸和胶水的特性而定，增加激光功率，可以提高温度上升的速度，缩短照射的时间。通常，激光的照射时间在1秒至60秒内，可以使胶水完全固化。

半导体激光胶水固化装置的双光路或多光路应用方法为：使用的光纤耦合半导体激光模块数量为两个或多个，传能光纤的数量为两根或多根，光纤光学聚焦系统也为两个或多个，即采用双光路或多光路输出方式。聚焦光束照射在工件5与7需要粘接位置6的两侧或周围。工件被激光照射的位置迅速升温，并通过热传导方式将胶水加热，胶水得以快速固化。

半导体激光胶水固化装置的动态扫描应用方法为：以图5为例，准直后的激光束4通过扫描系统10(扫描系统由空间交错设置的两个反射镜组成)和平场透镜11即聚焦系统3设定聚焦光束的扫描路径13，扫描路径13由工件12的形状决定。工件5或12被激光照射扫描的位置迅速升温，并通过热传导方式将胶水加热，胶水得以快速固化。

半导体激光胶水固化装置的整形和掩膜应用方法为：半导体激光二极管产生激光束4通过整形系统2整形成为与工件匹配的形状，通过掩膜方式挡住工件不需要照射的位置，再用整形后的光束照射工件。工件被激光照射扫描的位置迅速升温，并通过热传导方式将胶水加热，胶水得以快速固化。

Claims (9)

1.一种半导体激光胶水固化装置，它包括半导体激光二极管(1)、光束整形系统(2)、光束传输系统、光束扫描系统(10)、光束聚焦系统(3)，其特征是，半导体激光二极管(1)产生的半导体激光光源(4)经过光束整形系统(2)整形、或聚焦、或准直后进行传输；所述的激光光源(4)在传输之后，再经过光束聚焦系统(3)整形、或聚焦，激光光束(8)对工件或胶水进行照射。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，所述的半导体激光二极管(1)可以是单管，或者是由多个单管组成的二极管Bar条，或者是由多个Bar条组成的堆栈。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，光束整形系统(2)是由若干个柱面透镜、球面透镜组成。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，光束聚焦系统(3)是由若干个球面透镜或一个平场透镜组成。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光胶水固化装置，其特征是，光束扫描系统(10)是由空间交错设置的两个反射镜组成。

6.如权利要求1所述的半导体激光胶水固化装置的应用方法，其特征是，激光光束(8)照射方式可以是直接照射胶水使胶水升温，或激光照射在胶水附近，通过热传导方式使胶水升温；或是定点照射、或采用动态扫描方式照射、或采用光束整形和光束掩膜方式照射；可以在涂敷胶水的正面照射、或在涂敷胶水的背面照射。

7.如权利要求1所述的半导体激光胶水固化装置的应用方法，其特征是，半导体激光二极管(1)发出的激光源(4)，可以采用光纤耦合传输方式，或者采用光束自由空间传输方式。

8.如权利要求1所述的半导体激光胶水固化装置的应用方法，其特征是，用于胶水固化的照射激光束(8)，可以是一路、两路或者多路，即可以采用一路、两路或者多路光束同时对同一个固化位置进行照射，但不同的光束可以照射在不同的点。

9.根据权利要求6或7或8所述的半导体激光胶水固化装置的应用方法，其特征是，完成一次加热固化的激光光束(8)照射的时间在60秒内。

Images