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，由于光學鏡架的尺寸遠大于元件本身尺寸，極大地限制了光腔內(nèi)部的光路設計，因此本文提出了一種新的光學元件裝調(diào)技術——膠水粘接裝調(diào)方法，利用該項技術無須光學鏡架即可實現(xiàn)對光學元件的裝調(diào)定型。圖1為兩種不同裝調(diào)方式裝配光學元件的效果對比，可以看到，相比傳統(tǒng)的光學鏡架的裝調(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 光學鏡架搭建光腔

圖1 b 膠水粘接方式搭建光腔

1 技術方案設計

根據(jù)膠水粘接方法的特點開展了其技術方案的設計工作?？紤]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）進行該項技術的實驗研究，這種膠水通過一定強度的紫外光照射后即可迅速固化，且具有黏結(jié)強度高、應力低等優(yōu)點。與此同時，每次粘接的膠水用量也是影響裝調(diào)效果的一個關鍵因素，因此實驗采用一套自動點膠機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的標準化程度。

在此基礎上，針對單個光學元件設計了其裝調(diào)流程，主要分為以下步驟：（1）首先通過機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）通過自動點膠機在基板上的元件目標位置處進行定量點膠操作，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)至目標狀態(tài)。（3）選定合適的紫外燈功率及照射時間，對元件與基板粘接處的膠水進行照射固化。（4）待膠水完全固化且元件角度逐步穩(wěn)定后松開機械抓手，即完成一次裝配。

通過設計的膠水粘接方法流程，即可實現(xiàn)光學元件的安裝固定，且裝配流程中主要部分均可實現(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 關鍵因素實驗研究

為了進一步完善光學元件的膠水粘接裝調(diào)技術，針對裝配流程中的膠水類型、膠水用量等關鍵因素開展了實驗研究工作。

本實驗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）進行裝配對比實驗（見表1）。

表1 紫外固化膠水參數(shù)

實驗得到不同膠水粘接時光學元件偏移角度的變化情況如圖2所示?？梢钥吹?，粘接初期由于膠水固化收縮導致偏移角度逐漸增加，當松開機械抓手時（10 min時刻），由于存在應力釋放過程，因此偏移角度均產(chǎn)生小幅度變化，最終光學元件的偏移角度變化趨勢隨時間達到相對平穩(wěn)狀態(tài)。從實驗最終結(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?。?5.27μrad），即可以認為采用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驗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，進一步開展了不同膠水用量的裝配對比實驗。為了控制每次裝配實驗的膠水用量，將自動點膠機氣壓固定設置為30psi，選擇不同的吐膠時間，即可實現(xiàn)對膠水用量的精確控制。實驗選擇0.05s、0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s等不同吐膠時間進行裝配過程對比實驗，得到不同膠水用量下光學元件偏移角度的變化情況如圖3所示，實驗結(jié)果曲線以各自的吐膠時間命名?？梢钥吹剑辰映跗谟捎谀z水固化收縮效果導致偏移角度逐漸增加，由于機械抓手在此期間一直保持夾持狀態(tài)，因此當偏移角度大小達到峰值后開始逐漸回落，當松開機械抓手時（5min時刻），由于存在應力釋放過程，因此偏移角度均產(chǎn)生小幅度變化，最終光學元件的偏移角度變化趨勢隨時間達到相對平穩(wěn)狀態(tài)。從實驗最終結(jié)果來看，當吐膠時間為0.2s時的膠水用量下，光學元件最終的裝配角度偏移最低（33.62μrad）。這說明針對這一光學元件的裝配過程的膠水用量存在一個中間的最佳值，這是因為當膠水用量偏低時，膠水與光學元件粘接的接觸面積更小，導致粘接牢固程度偏低，最終光學元件的偏移角度偏高。而膠水用量偏高時，雖然膠水與光學元件粘接面積增加了，但是膠水的固化收縮效應也變大了，導致最終的偏移角度偏高。通過該對比實驗結(jié)果可知，對于本實驗采用膠水（OP-4-26032型UV膠水）粘接方式裝配的光學元件，裝配過程中的最佳膠水用量應為吐膠時間0.2s（氣壓為30psi）。

圖3 不同膠水用量裝配過程對比實驗

3 結(jié)論

本文提出了一種無須光學鏡架即可實現(xiàn)光學元件裝配的新技術——膠水粘接裝調(diào)方法，并根據(jù)其技術特點完成了整體方案設計。在此基礎上進一步開展了該技術流程中膠水類型及膠水用量等關鍵因素的實驗研究，確定當前實驗條件下的最優(yōu)膠水型號為OP-4-26032型UV膠水，最優(yōu)膠水用量為吐膠時間0.2s（氣壓為30psi）。通過實驗研究掌握了膠水粘接方法的關鍵核心技術，提高了裝調(diào)工藝流程的標準化程度，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。