----翻譯自 Arizona 大學 Jared Talbot 于 2016.12.4 撰寫的文章

引言

本教程回顧了當今光子學領域中使用的各種膠水及其具體用途。首先，概述了現有不同類型

的膠水，詳細探討了它們的力學模型，并基于這些信息，進一步分析了粘合技術在安裝中的

具體應用場景，以及在各場景中使用的粘合技術的優勢和潛在問題。

光子學中常用的膠水類型

在光子學領域，膠水主要用于元件安裝、玻璃部件粘合以及部件與金屬的粘合等方面。由于

光子學中膠水的應用范圍廣泛，因此其類型也多種多樣。每種類型都有其獨特的優缺點，使

其適用于特定的應用場景。

光子學中最常見的是光學膠水（optical adhesives）。它們通常用于將光學元件粘合在一起，

以制作雙合透鏡、三合透鏡、立方分束器等。光學膠水的特殊之處在于，它們在特定波長范

圍內是透明的，并且其光學特性是已知且可控制的。最常用的光學膠水之一是諾蘭光學膠水

61 號（Norland Optical Adhesives #61），常用于粘合雙合透鏡。它適用于可見光至近紅外

波段的應用，在 400nm~2um 范圍內具有高透射率。

也有適用于紫外和紅外波段的替代膠水。例如，愛牢達 610（Araldite 610）在 2-14um 范圍內具有高透射性。使用這類膠水粘合光學表面時，必須在粘合前徹底清潔表面。通常建議將

膠水涂在底部表面的中心，然后緩慢放下頂部表面，再通過小幅度的橫向移動使膠水擴散。

這有助于減少氣泡的產生，并排出已產生的氣泡。這一點至關重要，因為氣泡會降低性能。

當兩個元件對齊并壓緊（通常粘合厚度以 8-12um 為宜）后，膠水通常通過紫外光或熱固化。

另一類常見的是結構膠水（structural adhesives）。它們用于系統的機械部件，通常作為螺

絲、鉚釘或夾具等機械緊固件的替代品。與傳統機械緊固件相比，結構膠水更輕，同時具有

高強度和剛度，還能更均勻地分散應力。此外，它們易于使用且成本通常較低。樂泰（Loctite）

的一些商用產品就屬于這一類。

彈性體(Elastomers)是結構膠水的替代選擇，它們通常更具柔韌性，適用于柔韌性和熱膨脹

系數（CTE）可發揮優勢的場景。在溫度范圍可能變化的組件中，這類膠水有助于吸收因金

屬和玻璃部件的熱膨脹系數差異而產生的應力。如果選擇得當，它們還可以作為被動無熱化

組件。

最后一類是氰基丙烯酸酯膠水（Cyanoacrylates）。它們是高強度、快速固化的膠水，類似強

力膠。常用于螺紋鎖定固定件等場景，這些固定件需要施加預緊力并保持緊固狀態。使用這

類膠水的優勢在于，它們對金屬和玻璃都有良好的粘附力，且通常能在 30 秒內固化。其缺

點是，它們很可能會釋氣，這會損害光學涂層，并且在溫度超過 71℃時極易失效。

力學模型

為了將膠水正確應用于光學系統，需要了解如何對其進行力學建模和快速手工計算。清楚了

解粘合厚度和面積如何影響膠水的軸向剛度和剪切剛度，對于在組裝過程中合理規范膠水的

使用以確保最佳性能至關重要。

膠水的軸向剛度（Ka）可以像模擬彈簧一樣計算。當膠水粘合層的長度（或厚度）遠小于粘

合寬度時，可使用以下公式計算。其中，E0 等于膠水的楊氏模量，一旦選定膠水，它就是

一個常數。因此，選定膠水后，設計人員可以通過調整粘合面積和厚度（此處為 L）來改變

軸向剛度。

膠水粘合安裝棱鏡和反射鏡

對于許多對光學組件的尺寸和重量有嚴格要求的應用，使用膠水往往是更優的安裝方案。通

常，它們能降低機械設計的復雜性和機械體積，同時提供滿足最嚴苛應用中沖擊和振動要求

所需的強度。對于棱鏡安裝，這一方案尤為理想，因為棱鏡比其他玻璃部件更重，若采用金

屬機械安裝方案，其尺寸和重量會增加。對于手持直視光學系統，這會損害其功能性，因此，

在雙筒望遠鏡等設備中的棱鏡組件采用粘合技術就顯得至關重要。

成功應用的關鍵在于選擇合適的膠水，并確保對粘合面積和厚度進行充分控制。如前一節所

述，控制厚度是最大化粘合強度的關鍵。這可以通過使用墊片或間隔物來精確控制兩個配合

部件之間的間隙實現。另一種能提供均勻且精確厚度粘合層的技術是，在膠水中混入小玻璃

珠或塑料珠。這些珠子的直徑應與所需的粘合厚度匹配，這樣當兩個部件緊密夾緊時，一層

珠子就能與兩個部件接觸。

確定膠水的光學強度所需的適當厚度后，下一步是確定最佳粘合面積。要確定這一面積，必

須知道光學元件的重量（W）、膠水的剪切強度或拉伸強度（J）、最大相對加速度（amax）以

及所需的安全系數（SF），以確保設計規格與預期失效之間有一定緩沖。結合以下公式，可

得出理想的粘合面積（ABond）：

使用膠水粘合安裝時，另一個需要考慮的因素是，許多膠水在固化時會發生一定程度的收縮。

這可能會在光學元件中產生應力，并使光學元件的表面發生部分變形。對于大多數完全透光

的光學元件，如薄透鏡、窗口和濾光片，這種變形對透射波前性能的影響不大。此外，對于至少有一個內反射面的棱鏡，由于它們通常是較厚的部件，剛度較高，因此不易因收縮而變

形。

另一方面，反射光學元件的波前誤差受表面誤差的影響更大，而且它們往往采用更薄的基底，

在膠水收縮時仍容易變形。在使用膠水粘合安裝這類元件時，設計人員還應注意不要過度增

大粘合面積。雖然粘合面積直接關系到粘合強度，但它也與收縮時在表面產生的應力成正比。

對于需要較大粘合面積的設計，一種補償方法是將粘合面積分成多個較小的區域。理想的粘

合結構是三角形或約 70%區域的環形。

熱因素考量

當使用膠水粘合安裝存在熱失配時，兩個部件的熱膨脹系數差異通常由膠水來調節。這是因

為膠水往往是三者中最柔韌的。此外，由于我們理想的粘合厚度使得膠水層比基底薄得多，

因此相比之下，膠水的熱膨脹可忽略不計。要計算在這種情況下產生的最大剪切應力，必須

知道兩個基底的熱膨脹系數、溫度變化、粘合面積、粘合厚度以及膠水的剪切模量。結合這

些參數，可按以下公式計算最大剪切應力：

此外，在多元件組件中，膠水可用于幫助系統實現被動無熱化。為了使系統保持聚焦，由溫

度引起的折射率變化導致的焦距變化必須與由材料熱膨脹系數差異產生的空氣間隙變化相

匹配。添加膠水為抵消這兩個因素提供了額外的變量。由于膠水層相對較薄，它們可以對這

些間隙進行小幅度調整，以實現精確匹配。參考文獻

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審核編輯 黃宇