[发明专利]具有实时监控功能的激光固化机

说明书

相关申请的参考

本申请要求2004年8月27日提交的美国临时专利申请60/604,711的权益，其所公开的内容通过引用全文并入本公开，作为参考。

技术领域

本发明涉及一种固化机，特别涉及带有通过拉曼光谱分析的方法进行实时监控的激光固化机。

背景技术

随着固体激光器技术的高速发展，激光器有可能取代传统灯光源成为新一代紧凑、高效、低功耗的固化光源。基于激光器的固化光源适用于许多应用，包括但不限于高精度组装、牙齿树脂固化和微型生物学器件等。这样的应用要求最优固化条件下的精确和快速固化，例如低收缩、该强度、低外溢和最小的侧热生成。对这些应用，很希望对材料的固化状态进行实时监控以取得最好的固化效果和最高的生产率。

目前已有的固化检测方法可以分成三类。第一类方法采用硬度、剪切力测量等手段对材料的固化程度进行离线分析。第二类方法涉及利用植入式传感器。例如，在国际公开号WO02066220和美国发明专利6456895中，温度传感器被用来监测材料在固化过程中的温度变化。在美国发明专利5955002、5100802和5606171中，荧光剂被加入材料中以实现对固化过程的监测。国际公开号WO9719325利用光纤光栅传感器监测材料的固化过程。美国发明专利4921415和5911159利用超声波传感器监测材料的固化过程。第三类方法通过监测材料某些物理特性的变化实现对其固化程度的监测。例如，国际公开号WO0034770采用机械谐振分析的方法监测材料的固化。欧洲发明专利1353168和美国发明专利4891591、4399100通过分析材料电阻或电抗特性的变化来监测材料的固化过程。美国发明专利4874948利用一种非接触式温度传感器分析材料的固化程度。

最近，拉曼光谱分析的方法被证明可以用来对材料的固化程度进行现场、非破坏性的监测。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)中通过测量C＝C键(1620cm^-1)和C＝O键的拉曼信号相对强度变化来监测材料的固化程度。在他们的实验中，一台830nm、300mW的半导体激光器被用作激发拉曼信号的光源。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拉伸振动键(2870-3000cm^-1)的拉曼信号强度来监测材料的固化程度。在他们的实验中，一台488nm、30mW的氩离子激光器被用作激发拉曼信号的光源。类似的报道也见诸于一些拉曼光谱仪生产厂商，例如Real-Time Analyzers的应用报告中。

利用拉曼光谱分析进行固化监控的困难在于成本高昂。拉曼光谱分析监控器通常要求具有窄谱线宽度的激光光源和超敏感光谱仪，这二者的价格往往非常昂贵，甚至远远超过光固化系统本身。

发明内容

本发明的目标是克服上述现有技术的缺点。

为了实现上述和其他的目的，本发明提供一种激光固化机，该激光固化机通过拉曼光谱分析检测器进行实时、非破坏性的监控。与现有技术不同，在本发明中在该固化激光器本身作为拉曼激发光源。由于不需要额外的激光光源，监控系统的成本大大降低。另外，固化用激光光源通常在几毫瓦到几千毫瓦的范围，这依赖于材料和固化面积。这一功率水平足以激发比较强的拉曼信号。另外，由于固化激光器的波长一般选择与材料的吸收带相吻合，拉曼信号可以通过共振拉曼效应得到进一步的增强(100-1000倍)。以上因素使该方法对光谱仪灵敏度的要求大大降低，从而使利用低成本光谱仪进行拉曼光谱分析成为可能。