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

引言

本教程回顧了當(dāng)今光子學(xué)領(lǐng)域中使用的各種膠水及其具體用途。首先，概述了現(xiàn)有不同類型

的膠水，詳細(xì)探討了它們的力學(xué)模型，并基于這些信息，進(jìn)一步分析了粘合技術(shù)在安裝中的

具體應(yīng)用場景，以及在各場景中使用的粘合技術(shù)的優(yōu)勢和潛在問題。

光子學(xué)中常用的膠水類型

在光子學(xué)領(lǐng)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(xué)中膠水的應(yīng)用范圍廣泛，因此其類型也多種多樣。每種類型都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，使

其適用于特定的應(yīng)用場景。

光子學(xué)中最常見的是光學(xué)膠水（optical adhesives）。它們通常用于將光學(xué)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(xué)膠水的特殊之處在于，它們在特定波長范

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

61 號(hào)（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(yīng)用，在 400nm~2um 范圍內(nèi)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(dá) 610（Araldite 610）在 2-14um 范圍內(nèi)具有高透射性。使用這類膠水粘合光學(xué)表面時(shí)，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(dòng)使膠水?dāng)U散。

這有助于減少氣泡的產(chǎn)生，并排出已產(chǎn)生的氣泡。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)闅馀輹?huì)降低性能。

當(dāng)兩個(gè)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(jié)構(gòu)膠水（structural adhesives）。它們用于系統(tǒng)的機(jī)械部件，通常作為螺

絲、鉚釘或夾具等機(jī)械緊固件的替代品。與傳統(tǒng)機(jī)械緊固件相比，結(jié)構(gòu)膠水更輕，同時(shí)具有

高強(qiáng)度和剛度，還能更均勻地分散應(yīng)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(chǎn)品就屬于這一類。

彈性體(Elastomers)是結(jié)構(gòu)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(shù)（CTE）可發(fā)揮優(yōu)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(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力。如果選擇得當(dāng)，它們還可以作為被動(dòng)無熱化

組件。

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

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(yù)緊力并保持緊固狀態(tài)。使用這

類膠水的優(yōu)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(nèi)固化。其缺

點(diǎn)是，它們很可能會(huì)釋氣，這會(huì)損害光學(xué)涂層，并且在溫度超過 71℃時(shí)極易失效。

力學(xué)模型

為了將膠水正確應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)，需要了解如何對其進(jìn)行力學(xué)建模和快速手工計(jì)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(guī)范膠水的

使用以確保最佳性能至關(guān)重要。

膠水的軸向剛度（Ka）可以像模擬彈簧一樣計(jì)算。當(dāng)膠水粘合層的長度（或厚度）遠(yuǎn)小于粘

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

一個(gè)常數(shù)。因此，選定膠水后，設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)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(xué)組件的尺寸和重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，使用膠水往往是更優(yōu)的安裝方案。通

常，它們能降低機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和機(jī)械體積，同時(shí)提供滿足最嚴(yán)苛應(yīng)用中沖擊和振動(dòng)要求

所需的強(qiáng)度。對于棱鏡安裝，這一方案尤為理想，因?yàn)槔忡R比其他玻璃部件更重，若采用金

屬機(jī)械安裝方案，其尺寸和重量會(huì)增加。對于手持直視光學(xué)系統(tǒng)，這會(huì)損害其功能性，因此，

在雙筒望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備中的棱鏡組件采用粘合技術(shù)就顯得至關(guān)重要。

成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于選擇合適的膠水，并確保對粘合面積和厚度進(jìn)行充分控制。如前一節(jié)所

述，控制厚度是最大化粘合強(qiáng)度的關(guān)鍵。這可以通過使用墊片或間隔物來精確控制兩個(gè)配合

部件之間的間隙實(shí)現(xiàn)。另一種能提供均勻且精確厚度粘合層的技術(shù)是，在膠水中混入小玻璃

珠或塑料珠。這些珠子的直徑應(yīng)與所需的粘合厚度匹配，這樣當(dāng)兩個(gè)部件緊密夾緊時(shí)，一層

珠子就能與兩個(gè)部件接觸。

確定膠水的光學(xué)強(qiáng)度所需的適當(dāng)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(xué)元件的重量（W）、膠水的剪切強(qiáng)度或拉伸強(qiáng)度（J）、最大相對加速度（amax）以

及所需的安全系數(shù)（SF），以確保設(shè)計(jì)規(guī)格與預(yù)期失效之間有一定緩沖。結(jié)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(shí)，另一個(gè)需要考慮的因素是，許多膠水在固化時(shí)會(huì)發(fā)生一定程度的收縮。

這可能會(huì)在光學(xué)元件中產(chǎn)生應(yīng)力，并使光學(xué)元件的表面發(fā)生部分變形。對于大多數(shù)完全透光

的光學(xué)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(gè)內(nèi)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(xué)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(shí)仍容易變形。在使用膠水粘合安裝這類元件時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)注意不要過度增

大粘合面積。雖然粘合面積直接關(guān)系到粘合強(qiáng)度，但它也與收縮時(shí)在表面產(chǎn)生的應(yīng)力成正比。

對于需要較大粘合面積的設(shè)計(jì)，一種補(bǔ)償方法是將粘合面積分成多個(gè)較小的區(qū)域。理想的粘

合結(jié)構(gòu)是三角形或約 70%區(qū)域的環(huán)形。

熱因素考量

當(dāng)使用膠水粘合安裝存在熱失配時(shí)，兩個(gè)部件的熱膨脹系數(shù)差異通常由膠水來調(diào)節(jié)。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(jì)。要計(jì)算在這種情況下產(chǎn)生的最大剪切應(yīng)力，必須

知道兩個(gè)基底的熱膨脹系數(shù)、溫度變化、粘合面積、粘合厚度以及膠水的剪切模量。結(jié)合這

些參數(shù)，可按以下公式計(jì)算最大剪切應(yīng)力：

此外，在多元件組件中，膠水可用于幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)無熱化。為了使系統(tǒng)保持聚焦，由溫

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

匹配。添加膠水為抵消這兩個(gè)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(jìn)行小幅度調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)精確匹配。參考文獻(xiàn)

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審核編輯 黃宇