----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(xiàn)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(yōu)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(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(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(tǒng)，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(guī)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(shù)。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(yōu)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(tǒng)，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(jié)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(xiàn)。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(shù)（SF），以確保設計規(guī)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(fā)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(fā)生部分變形。對于大多數(shù)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(qū)域。理想的粘

合結構是三角形或約 70%區(qū)域的環(huán)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(shù)差異通常由膠水來調節(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。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(shù)、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(shù)，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(tǒng)實現(xiàn)被動無熱化。為了使系統(tǒng)保持聚焦，由溫

度引起的折射率變化導致的焦距變化必須與由材料熱膨脹系數(shù)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(xiàn)精確匹配。參考文獻

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審核編輯 黃宇