椭圆聚焦型无极紫外固化灯研究与设计

摘 要：利用蒙特卡洛分析法和有限积分法，设计了一种椭圆聚焦型无极紫外固化灯。首先利用光学仿真软件分析了椭圆柱型谐振腔对非理想圆柱光源的光线利用率和光斑宽度两者之间的影响，选择了合适的放大倍率和离心率；再通过电磁场仿真软件分析了谐振腔的电磁共振模式及频率，确定最佳电磁共振条件下谐振腔的开口深度；最后根据波导耦合原则，设计了谐振腔与波导的耦合方式。经实验测试，本文研制的无极紫外固化灯的发射光谱与所用无极紫外放电灯管的理论光谱相一致，并且测得的紫外光功率分布也与光学仿真的结果符合。

关键词：无极紫外固化灯；光线追迹法；谐振腔；椭圆聚焦；电磁共振；非理想光源

DOI： 10.15938/j.emc.2017.08

中图分类号：O435 文献标志码：A 文章编号： 1007-449X（2017）08

Abstract： An electrodeless UV curing lamp with elliptic concentrator was developed by using monte carlo and finite integration method. Firstly， the light efficiency and spot width of non-ideal cylindrical light source caused by reflection of elliptical resonant cavity are analyzed by the optical simulation software TracePro， and then the magnification and eccentricity of elliptical resonant cavity are preferred； On the basis of resonance mode and its frequency of resonant cavity investigated by electromagnetic simulation software CST， the depth of microwave cavity is determined to satisfy the best condition of electromagnetic resonance； The microwave feed-in method of resonant cavity is designed in accordance with the principle of waveguide-coupled-cavity. The emission spectrum of electrodeless UV curing lamp presented by this article is agreed with the theoretical spectra of electrodeless UV discharge lamp in experiment test， and UV irradiation intensity distribution in the second focus plane accords with optical simulation results.

Keywords： electrodeless UV curing lamp； ray tracing method； resonant cavity； ellipse focusing； electromagnetic resonance； non-ideal light source

0引 言

紫外固化是指混有光引发剂的不饱和有机物或高分子物在经过紫外线照射后，其内部发生交联、接枝或聚合等化学反应进而达到固化的目的。近年来紫外固化技术在材料合成及表征[1]、印刷[2]、电线电缆制造[3]和高分子涂料[4]等领域显示出了巨大的应用前景，同时紫外固化光源的改进与研发更是成为人们关注热点。随着高频电磁波诱导气体放电技术的不断发展和完善，近年来新兴的以微波能量驱动的大功率紫外固化灯以其优异性能得到广泛关注。与传统依靠高压电弧驱动的紫外固化设备相比，无极紫外固化灯使用的灯管由于没有高压电极，因此具有以下三个优点[5-6]：1）不存在灯管内部气体与电极之间的化学反应，输出光能量稳定，灯管寿命长；2）光功率密度大，结构尺寸较小；3）可实现快速启动，并且易于更换。

与传统高压电弧驱动的紫外固化灯有所不同，无极紫外固化灯的结构包括微波源（一般为磁控管）、波导、谐振腔和无极灯管。其中，谐振腔包括反光罩和金属屏蔽网。在无极紫外固化灯中，无极灯管点燃的前提是微波源产生的高频电磁波能夠通过波导进入谐振腔实现电磁共振，从而利用电场使灯管内部的气体电离并辐射出紫外光，再依靠反光罩的几何结构实现光线的汇聚，即谐振腔能够同时起到电磁共振和光学聚焦的作用。因此，无极紫外固化灯在结构设计上存在较大困难的原因在于其谐振腔的结构需同时满足这两者的需求，而目前还没有关于其设计方法上的研究报道。 针对上述问题，本文利用光学和电磁学数值计算方法，设计了一种椭圆聚光型无极紫外固化灯。由于谐振腔具有多谐特性[7]，其电磁共振频率可以通过对椭圆柱型谐振腔的开口深度进行调，使其与微波源产生的高频电磁波频率相一致，并且开口深度对椭圆柱型的聚光效果影响较小。因此，本文的设计思路是先通过光学仿真软件TracePro[8]研究了椭圆柱型反光罩的几何结构对聚焦宽度和光线利用率两者之间的关系，再利用电磁仿真软件CST[9]优化谐振腔的开口深度使之与微波源产生的高频电磁波频率相匹配，最后根据波导的微波传输特性[10]确定谐振腔的耦合孔形状与尺寸。本文最后根据仿真的计算结果搭建了无极紫外固化灯，并采用光栅光谱仪和紫外辐照计，对固化灯的发射光谱和第二焦平面中心的光斑宽度进行了测量。

本文研制的椭圆聚焦型无极紫外固化灯，主要结构包括磁控管、波导、椭圆柱型反光罩、无极灯管和金属屏蔽网，如图1所示。其中，谐振腔由椭圆柱型反光罩和金属屏蔽网组成，能够同时实现光学聚焦和电磁共振。无极紫外固化灯的工作原理是：磁控管发出的高频电磁波，经过波导从谐振腔的耦合孔（即图1中椭圆柱型反光罩两端的开口）进入其内部形成特定共振模式的电磁场，使位于第一焦线处的无极放电灯管在电场作用下其内部气体和汞分子形成等离子体并持续辐射出紫外光线，紫外光线经过椭圆柱型反光罩的反射后聚焦于待固化体系。

本文选用磁控管为连续式磁控管，功率规格3kW，频率范围（2.45±0.05）GHz；无极放电灯管为长度250mm、外直径10mm的H型无极汞灯，其线功率分布为240W/cm；波导为BJ-26型矩形波导；金属屏蔽网由直径0.05mm的钨丝精密编制而成，光线透射率约为80%；椭圆柱型反光罩的材料为长度250mm、厚度0.8mm的铝基板，其内表面通过阳极氧化形成致密氧化铝反射膜，光线反射率为95%。

1.1谐振腔光学结构设计

在理想情况下，光线从椭圆的第一焦点发出后经反射可以汇聚于椭圆的第二焦点。但由于无极放电灯管为非理想光源，部分光线会偏离焦点，从而在第二焦平面处会形成高斯分布式的发散光斑[11]，如图2所示。一般情况下，第二焦平面处的光斑聚焦效果与椭圆的放大倍率有关，放大倍率越大，则光线的汇聚宽度越宽，并且辐照度也更均匀，但同时反光罩的加工也越为困难。

由（1）式可知，椭圆的放大倍率与离心率 和椭圆的第一焦距 和焦距 有关。考虑到实际加工因素的限制，本文取第一焦距 mm。利用光学仿真软件TracePro，对不同焦距 下椭圆柱型谐振腔在第二焦平面中心处的光斑半峰宽值h及光线反射利用率进行仿真计算。仿真过程中，无极放电灯管简化成长度250mm、直径10mm的圆柱面光源；开口深度D暂时取为椭圆长半轴；从面光源发出的总光线数量为1百万条。

仿真结果如图3所示。可以看出，随着焦距的增加，光斑聚焦宽度与光线反射利用率均变大，其中光斑半峰宽值h受焦距 变化的影响较大。综合考虑二者之间的关系，结合谐振腔的加工能力限制及与磁控管激励腔的安装需求，取焦距 mm。此时放大倍率 ，离心率 。

1.2谐振腔的激励方式

谐振腔与外界耦合方法一般采用电耦合、磁耦合和电流耦合方式。在厘米波段，谐振腔通常与波导直接进行耦合，这时采用在波导与谐振腔之间的公共壁上开孔槽作为耦合元件，即电流耦合，也称为波导耦合。

电磁耦合谐振式无线电能通过谐振在相同频率上的系统之间的耦合来传递能量，其中谐振腔的谐振频率对能量的传递效率至关重要[12-13]。为了实现微波能够有效耦合进入谐振腔内形成共振电磁场，谐振腔的谐振频率f应与磁控管发出微波的中心频率相一致[14]，即谐振频率f=2.45GHz，从而实现最佳电磁共振条件。

为了不使反光罩的光线聚焦性能发生改变，本文在反光罩的第一焦距 、焦距 和长度确定后，通过改变反光罩的开口深度D来调控谐振腔的谐振频率。图4为通过电磁仿真软件CST得出的开口深度D与谐振频率f的关系曲线。当深度D=72mm时，谐振腔的谐振频率为2.45GHz，为最佳电磁共振条件。

由谐振腔的波导耦合条件[7]可知，在磁控管激励腔与谐振腔之间的耦合孔处，传输的微波至少要有一个分量与所需激励的电磁共振模式的某一分量相符合，才能使该模式被激励。图5为谐振腔在2.45GHz时的电磁共振模式。

结合本文采用的波导的基波传输特性[10]和图5所示的电磁共振模式，耦合孔可设计成如图6所示的位置与大小。与谐振腔连接的波导端口加工如图2所示的反光罩的形状并安装于反光罩处，其长边垂直于諧振腔短轴，如图1所示，即可保证微波能够有效馈入谐振腔形成电磁共振。

2无极紫外固化灯性能测试

2.1 发射光谱分布测试

采用北京赛凡光电公司7ISW301型光栅光谱仪，对研制的聚光型微波紫外固化灯在200-800nm波段发射光谱进行了测量，波长采样间距为0.5nm，结果如图7所示。可以看出，在200-400nm波段的主要峰值在254nm、290nm、310nm和365nm，与厂家提供的H型灯管的标准发射光谱基本相符合[15]，说明本文设计的椭圆聚焦型谐振腔能够使无极紫外灯管正常工作。

2.2 第二焦平面辐照度测试

采用林上科技有限公司生产的带有E365型探头的LS125型紫外辐照计进行紫外光功率密度分布的测量。将探头置于灯具第二焦平面中心处，沿灯具短轴方向的365nm 紫外光功率分布测试曲线以及其高斯拟合分布。测试的间距为5mm，测试范围从以中心点为基准的-40mm-40mm。图8中拟合曲线的半峰宽值约为27.6mm，与图3中焦距 mm时的仿真计算值26mm相差不多，从而验证了采用TracePro仿真计算的正确性。

3结论

通过蒙特卡罗光线追迹法和有限积分法，成功设计了一种椭圆聚焦型无极紫外固化灯。无极紫外固化灯的设计难点在于其谐振腔同时起到光线汇聚和电磁共振的作用，因此在设计过程中要同时兼顾。由于谐振腔具有多谐特性，因此本文的设计思路为先通过光学仿真TracePro分析椭圆在不同放大倍率和离心率条件下的光线聚焦效果和利用率，选择最佳的谐振腔光学结构，再利用电磁仿真软件CST分析谐振腔内的电磁场分布，并优化了谐振腔的开口深度，最后结合波导的电磁波传输特性设计了谐振腔的微波馈入口，使高频电磁波能够在其中实现电磁共振。采用光栅光谱仪和紫外辐照计测量了按照仿真计算搭建的无极紫外固化灯辐射光谱和第二焦平面的辐照密度，验证了本文对无极紫外固化灯的设计方案的合理性。本文对无极紫外固化灯的设计方法对于其他微波等离子灯的优化设计也具有一定的指导意义。

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（编辑：刘素菊）