光子封装中胶水及其使用教程

----翻译自 Arizona 大学 Jared Talbot 于 2016.12.4 撰写的文章

引言

本教程回顾了当今光子学领域中使用的各种胶水及其具体用途。首先，概述了现有不同类型

的胶水，详细探讨了它们的力学模型，并基于这些信息，进一步分析了粘合技术在安装中的

具体应用场景，以及在各场景中使用的粘合技术的优势和潜在问题。

光子学中常用的胶水类型

在光子学领域，胶水主要用于元件安装、玻璃部件粘合以及部件与金属的粘合等方面。由于

光子学中胶水的应用范围广泛，因此其类型也多种多样。每种类型都有其独特的优缺点，使

其适用于特定的应用场景。

光子学中最常见的是光学胶水（optical adhesives）。它们通常用于将光学元件粘合在一起，

以制作双合透镜、三合透镜、立方分束器等。光学胶水的特殊之处在于，它们在特定波长范

围内是透明的，并且其光学特性是已知且可控制的。最常用的光学胶水之一是诺兰光学胶水

61 号（Norland Optical Adhesives #61），常用于粘合双合透镜。它适用于可见光至近红外

波段的应用，在 400nm~2um 范围内具有高透射率。

也有适用于紫外和红外波段的替代胶水。例如，爱牢达 610（Araldite 610）在 2-14um 范围内具有高透射性。使用这类胶水粘合光学表面时，必须在粘合前彻底清洁表面。通常建议将

胶水涂在底部表面的中心，然后缓慢放下顶部表面，再通过小幅度的横向移动使胶水扩散。

这有助于减少气泡的产生，并排出已产生的气泡。这一点至关重要，因为气泡会降低性能。

当两个元件对齐并压紧（通常粘合厚度以 8-12um 为宜）后，胶水通常通过紫外光或热固化。

另一类常见的是结构胶水（structural adhesives）。它们用于系统的机械部件，通常作为螺

丝、铆钉或夹具等机械紧固件的替代品。与传统机械紧固件相比，结构胶水更轻，同时具有

高强度和刚度，还能更均匀地分散应力。此外，它们易于使用且成本通常较低。乐泰（Loctite）

的一些商用产品就属于这一类。

弹性体(Elastomers)是结构胶水的替代选择，它们通常更具柔韧性，适用于柔韧性和热膨胀

系数（CTE）可发挥优势的场景。在温度范围可能变化的组件中，这类胶水有助于吸收因金

属和玻璃部件的热膨胀系数差异而产生的应力。如果选择得当，它们还可以作为被动无热化

组件。

最后一类是氰基丙烯酸酯胶水（Cyanoacrylates）。它们是高强度、快速固化的胶水，类似强

力胶。常用于螺纹锁定固定件等场景，这些固定件需要施加预紧力并保持紧固状态。使用这

类胶水的优势在于，它们对金属和玻璃都有良好的粘附力，且通常能在 30 秒内固化。其缺

点是，它们很可能会释气，这会损害光学涂层，并且在温度超过 71℃时极易失效。

力学模型

为了将胶水正确应用于光学系统，需要了解如何对其进行力学建模和快速手工计算。清楚了

解粘合厚度和面积如何影响胶水的轴向刚度和剪切刚度，对于在组装过程中合理规范胶水的

使用以确保最佳性能至关重要。

胶水的轴向刚度（Ka）可以像模拟弹簧一样计算。当胶水粘合层的长度（或厚度）远小于粘

合宽度时，可使用以下公式计算。其中，E0 等于胶水的杨氏模量，一旦选定胶水，它就是

一个常数。因此，选定胶水后，设计人员可以通过调整粘合面积和厚度（此处为 L）来改变

轴向刚度。

胶水粘合安装棱镜和反射镜

对于许多对光学组件的尺寸和重量有严格要求的应用，使用胶水往往是更优的安装方案。通

常，它们能降低机械设计的复杂性和机械体积，同时提供满足最严苛应用中冲击和振动要求

所需的强度。对于棱镜安装，这一方案尤为理想，因为棱镜比其他玻璃部件更重，若采用金

属机械安装方案，其尺寸和重量会增加。对于手持直视光学系统，这会损害其功能性，因此，

在双筒望远镜等设备中的棱镜组件采用粘合技术就显得至关重要。

成功应用的关键在于选择合适的胶水，并确保对粘合面积和厚度进行充分控制。如前一节所

述，控制厚度是最大化粘合强度的关键。这可以通过使用垫片或间隔物来精确控制两个配合

部件之间的间隙实现。另一种能提供均匀且精确厚度粘合层的技术是，在胶水中混入小玻璃

珠或塑料珠。这些珠子的直径应与所需的粘合厚度匹配，这样当两个部件紧密夹紧时，一层

珠子就能与两个部件接触。

确定胶水的光学强度所需的适当厚度后，下一步是确定最佳粘合面积。要确定这一面积，必

须知道光学元件的重量（W）、胶水的剪切强度或拉伸强度（J）、最大相对加速度（amax）以

及所需的安全系数（SF），以确保设计规格与预期失效之间有一定缓冲。结合以下公式，可

得出理想的粘合面积（ABond）：

使用胶水粘合安装时，另一个需要考虑的因素是，许多胶水在固化时会发生一定程度的收缩。

这可能会在光学元件中产生应力，并使光学元件的表面发生部分变形。对于大多数完全透光

的光学元件，如薄透镜、窗口和滤光片，这种变形对透射波前性能的影响不大。此外，对于至少有一个内反射面的棱镜，由于它们通常是较厚的部件，刚度较高，因此不易因收缩而变

形。

另一方面，反射光学元件的波前误差受表面误差的影响更大，而且它们往往采用更薄的基底，

在胶水收缩时仍容易变形。在使用胶水粘合安装这类元件时，设计人员还应注意不要过度增

大粘合面积。虽然粘合面积直接关系到粘合强度，但它也与收缩时在表面产生的应力成正比。

对于需要较大粘合面积的设计，一种补偿方法是将粘合面积分成多个较小的区域。理想的粘

合结构是三角形或约 70%区域的环形。

热因素考量

当使用胶水粘合安装存在热失配时，两个部件的热膨胀系数差异通常由胶水来调节。这是因

为胶水往往是三者中最柔韧的。此外，由于我们理想的粘合厚度使得胶水层比基底薄得多，

因此相比之下，胶水的热膨胀可忽略不计。要计算在这种情况下产生的最大剪切应力，必须

知道两个基底的热膨胀系数、温度变化、粘合面积、粘合厚度以及胶水的剪切模量。结合这

些参数，可按以下公式计算最大剪切应力：

此外，在多元件组件中，胶水可用于帮助系统实现被动无热化。为了使系统保持聚焦，由温

度引起的折射率变化导致的焦距变化必须与由材料热膨胀系数差异产生的空气间隙变化相

匹配。添加胶水为抵消这两个因素提供了额外的变量。由于胶水层相对较薄，它们可以对这

些间隙进行小幅度调整，以实现精确匹配。参考文献

1. J. Burge, “Intro to Opto-Mechanical Engineering” Notes, University of Arizona, 2016.

2. K. Schwertz, J. Burge, “Field Guide to Optomechanical Design and Analysis”, SPIE, 2012.

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5. E. Norland, “Techniques in using UV adhesives for optomechanical designs”, Proc. SPIE,

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6. B. G. Yacobi, S. Martin, K. Davis, A. Hudson, and M. Hubert, “Adhesive bonding in

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7. https://www.norlandprod.com/adhesives/NOA%2061.html

审核编辑 黄宇