光固化能源技術

光固化能源技術

(SL工藝）

在光固化三維打印快速成形工藝中,從打印頭噴射到成形面上的是液態(tài)光敏樹脂材料,在紫外光的照射下,光敏樹脂材料中的光引發(fā)劑吸收紫外光輻射能發(fā)生化學變化生成活性中間體,活性中間體引發(fā)光敏樹脂材料的低聚物進行鏈式聚合反應,使成形面上的光敏樹脂材料由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài),以實現(xiàn)光固化三維打印的單層成形。

SL工藝所用的光源主要為波長小于400nm的紫外激光器。

SL工藝紫外燈固化機理光敏樹脂材料有一個臨界曝光量Ec,只有當液態(tài)光敏樹脂材料實際接受的紫外光的輻射能量(即曝光量)E超過其臨界曝光量Ec這一閉值,即E≥Ec。,光敏樹脂材料才會發(fā)生相變,從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。紫外燈發(fā)出的紫外光經橢圓形反射器聚焦后是以線光源的形式照射到成形工作面上,其照射模型如下圖所示。取紫外燈在固化成形過程中的運動方向為X軸,垂直向下為Z軸正向,經橢圓形反射器反射聚焦后的紫外光在X軸方向上的光強滿足高斯正態(tài)分布。其光強分布函數(shù)為式（1）圖紫外光照射模型液態(tài)光敏樹脂材料對紫外光的吸收一般符合Beer-Lambert規(guī)則，即在Z軸方向上的光強分布函數(shù)可表示為：式（2）合并上述兩式可得被紫外光照射的光敏樹脂材料在X-Z平面內的光強分布函數(shù)為:

式（3）當被聚焦的紫外光沿X軸方向以勻速v運動,則液態(tài)光敏樹脂材料內部任一點接受的紫外光的輻射能量E可通過下式求得:式（4）將式(3)帶入(4),并對其積分可得:式（5）令E(x,z)等于光敏樹脂材料的臨界曝光量Ec,則可求得最大固化深度Ds為:式（6）光源選擇依據1）SL快速成型系統(tǒng)對光源的要求（1）價格及運行成本低

SL快速成型系統(tǒng)目前主要有兩大類，一類是面向工業(yè)品開發(fā)的高價格的SL設備，價格一般在100萬人民幣以上；另一類是面向模型制作的低價格的SL設備，價格一般在50萬人民幣左右。高價格的SL設備大都使用昂貴的紫外激光器，壽命也較短，一般為2000小時，這就造成了這類SL設備的價格及運行成本都很高，并在一定程度上妨礙了SL設備的進一步推廣及應用。低價格的SL設備一般采用的是其它光源，如紫外燈、可見光激光器等，這類光源雖然價格便宜，但與紫外激光器相比，性能較差，幾乎沒有高效的光敏樹脂與之配合，加工的精度及加工的速度較慢。因此，開發(fā)制造成本及運行成本均低的高性能激光器將是SL設備的一個發(fā)展方向。（2）體積小適合辦公環(huán)境或小區(qū)域范圍內的工作。2）光學系統(tǒng)對光源的基本要求（1）功率效率高（2）結構尺寸小（3）運行成本低（4）穩(wěn)定性好（5）工作溫度穩(wěn)定3）成型材料對光源的要求（1）輸出功率高（2）頻譜范圍匹配（3）相干性好光源介紹

光固化三維打印快速成形的工藝要求從打印頭中噴射到成形面上的液態(tài)光敏樹脂材料能夠在紫外燈的照射下迅速固化,因此在選擇紫外燈時,要求紫外燈的發(fā)射光譜同光敏樹脂材料中的光引發(fā)劑的吸收光譜相匹配。這樣不僅可以提高紫外光的吸收效率,而且可以減少光敏樹脂材料中光引發(fā)劑的用量,降低材料的成本。此外,紫外燈還必須要有足夠的能量,以保證光敏樹脂材料在紫外燈的照射下能夠快速固化。1、氣體激光器

氣體激光器利用氣體或蒸氣作為工作物質產生激光的器件。它由放電管內的激活氣體、一對反射鏡構成的諧振腔和激勵源等三個主要部分組成。主要激勵方式有電激勵、氣動激勵、光激勵和化學激勵等。其中電激勵方式最常用。在適當放電條件下，利用電子碰撞激發(fā)和能量轉移激發(fā)等，氣體粒子有選擇性地被激發(fā)到某高能級上，從而形成與某低能級間的粒子數(shù)反轉，產生受激發(fā)射躍遷。

與固體、液體比較，氣體的光學均勻性好,因此,氣體激光器的輸出光束具有較好的方向性、單色性和較高的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。

氣體激光器分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器和準分子激光器。它們工作在很寬的波長范圍，從真空紫外到遠紅外,既可以連續(xù)方式工作,也可以脈沖方式工作。1）He-Cd激光器氦鎘激光器是一種金屬蒸氣離子激光器。其中產生激光躍遷的是鎘離子（Cd+)，氦氣（He）作為輔助氣體。它與氦氖激光器類似，可以在直流放電的條件下連續(xù)工作。它比氦氖激光有更高的輸出功率（一般為幾十毫瓦），發(fā)射波長較短，為441.6nm（藍紫色）和325nm（紫外），因此，是一種更適用于光敏材料曝光和全息印刷制版的較理想的光源。

2）Ar+激光器

氬離子(Ar+)激光器是最常見的離子激光器。Ar+激光器的激光譜線很豐富，主要分布在藍綠光區(qū)，其中，以0.4880mm藍光和0.5145mm綠光兩條譜線最強。Ar+激光器既可以連續(xù)工作，又可以脈沖狀態(tài)運轉。連續(xù)功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見光區(qū)連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。它已廣泛應用于全息照相、信息處理、光譜分析及醫(yī)療和工業(yè)加工等許多領域。

3） N2激光器氮分子激光器是一種重要的近紫外相干光源。它的輸出峰值功率高（Peakpower_45kW），脈沖持續(xù)時間短（<3.5ns），而且結構簡單，制造容易，因此受到人們的廣泛重視。它可以作為有機染料激光器的泵浦光源，可以獲得從近紅外到近紫外的連續(xù)可調激光輸出，是激光喇曼光譜儀的一種理想光源。此外，氮激光器在激光分離同位素、熒光診斷、超高速攝影、污染檢測以及醫(yī)療衛(wèi)生、農業(yè)育種等方面也得到廣泛應用。由于其短波長更易聚焦得到小光斑，因此被用于加工亞微米量級的元件了，例如光掩模、復雜的集成電路、薄膜電阻的生產。2、固體激光器

用固體激光材料作為工作物質的激光器。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺激光器。固體激光器一般由激光工作物質、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構成。

固體激光器的工作物質由光學透明的晶體或玻璃作為基質材料，摻以激活例子或其他激活物質構成，一般應具有良好的物理化學性質、窄的熒光線譜、強而寬的吸收帶和高的熒光量子效率。玻璃激光工作物質容易制成均勻的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。但其熒光譜線較寬，熱性能較差，不適于高平均功率下工作。常見的釹玻璃有硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽玻璃。晶體激光工作物質一般具有良好的熱性能和機械性能，窄的熒光譜線，但獲得優(yōu)質大尺寸材料的晶體生長技術復雜。常用的激光晶體有紅寶石（Cr:Al2O3，波長6943埃）、摻釹釔鋁石榴石（Nd:Y3Al5O12，簡稱Nd:YAG，波長1.064微米）、氟化釔鋰（LiYF4，簡稱YLF;Nd:YLF，波長1.047或1.053微米;Ho:Er:Tm:YLF，波長2.06微米）等。固體激光器以光為激勵源。常用的脈沖激勵源有充氙閃光燈；連續(xù)激勵源有氪弧燈、碘鎢燈、鉀銣燈等。在小型長壽命激光器中，可用半導體發(fā)光二極管或太陽光作激勵源。一些新的固體激光器也有采用激光激勵的。固體激光器由于光源的發(fā)射光譜中只有一部分為工作物質所吸收，加上其他損耗，因而能量轉換效率不高，一般在千分之幾到百分之幾之間。3、半導體激光器

用半導體材料作為工作物質的激光器，由于物質結構上的差異，不同種類產生激光的具體過程比較特殊。常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。激勵方式有電注入、電子束激勵和光泵浦三種形式。半導體激光器件，可分為同質結、單異質結、雙異質結等幾種。同質結激光器和單異質結激光器在室溫時多為脈沖器件，而雙異質結激光器室溫時可實現(xiàn)連續(xù)工作。

半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

半導體激光器具有以下優(yōu)點：(1)體積小，重量輕；(2)驅動功率和電流較低；(3)效率高、工作壽命長；(4)可直接電調制；(5)易于與各種光電子器件實現(xiàn)光電子集成；(6)與半導體制造技術兼容；可大批量生產。

由于這些特點，半導體激光器自問世以來得到了世界各國的廣泛關注與研究。成為世界上發(fā)展最快、應用最廣泛、最早走出實驗室實現(xiàn)商用化且產值最大的一類激光器。經過40多年的發(fā)展，半導體激光器已經從最初的低溫77K、脈沖運轉發(fā)展到室溫連續(xù)工作、工作波長從最開始的紅外、紅光擴展到藍紫光；閾值電流由