在空間光學(xué)系統(tǒng)的真空環(huán)境中，光學(xué)組件需要在?150°C到+120°C的熱循環(huán)、發(fā)射載荷帶來的機(jī)械振動以及長期真空下保持光學(xué)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在這些條件下，膠黏劑很容易出現(xiàn)性能退化（老化、硬化、吸濕）、界面脫層、脫氣污染光學(xué)表面，以及由于熱膨脹不匹配帶來的應(yīng)力積累。因此，一種能夠在不同材料之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、且無需膠黏劑的連接工藝，對航天光學(xué)組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有直接意義。基于這一需求，近期，法國ALPhANOV光學(xué)與激光技術(shù)中心和法國國家太空研究中心(CNES)的研究團(tuán)隊提出了一種結(jié)合直接鍵合與飛秒激光焊接的混合鍵合方案，用于實(shí)現(xiàn)熔融石英、Zerodur®與Invar等材料之間的無膠連接。

在整套實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊使用了兩款基于四波橫向剪切干涉（QWLSI）技術(shù)的Phasics設(shè)備。SID4波前傳感器在1064nm的光源下用于測量樣品盤片表面的平整度與曲率，判斷是否具備建立大面積光學(xué)接觸的幾何條件；同時，團(tuán)隊還使用了一臺SID4-Bio定量相位成像相機(jī)在顯微鏡下觀察熔融石英內(nèi)部激光寫入結(jié)構(gòu)的光程變化，從而評估折射率變化和焊接質(zhì)量。

直接鍵合前的表面評估：為什么必須同時看粗糙度、潤濕性和面型？

在混合鍵合方案中，第一步是建立兩塊材料之間的初始光學(xué)接觸，而光學(xué)接觸的質(zhì)量取決于三個方面：表面粗糙度、表面潤濕性以及整體面型曲率。粗糙度Sq(Root Mean Square Roughness)決定兩塊材料在微觀尺度上是否真的貼合，如果表面粗糙度過高，表面峰谷會讓真實(shí)接觸僅發(fā)生在少數(shù)高點(diǎn)位置，既限制光學(xué)接觸面積，也使后續(xù)激光焊接的焦點(diǎn)位置和能量沉積不穩(wěn)定。潤濕性反映表面能與親水程度，是判斷能否在等離子體處理后建立氫鍵和范德華力、從而形成分子級直接鍵合的重要指標(biāo)。整體面型和平面度（以及是否帶有凹形或凸形曲率）則控制了在宏觀尺度上可實(shí)現(xiàn)的接觸范圍：即便粗糙度足夠低，如果盤片整體略微鼓起或塌陷，實(shí)際可接觸區(qū)域仍會被限制在局部，難以實(shí)現(xiàn)大面積光學(xué)接觸。

正因?yàn)楣鈱W(xué)接觸對表面狀態(tài)極其敏感，設(shè)計與采購時給出的規(guī)格并不能代表拋光后的真實(shí)狀態(tài)。材料在拋光、夾持、運(yùn)輸甚至清洗過程中都可能引入曲率偏差或局部面型誤差，而這些誤差會直接決定最終能否形成足夠大的接觸面積。因此，在開展直接鍵合和焊接工藝之前，須對每種材料的實(shí)際表面質(zhì)量進(jìn)行重新表征，用真實(shí)數(shù)據(jù)來判斷界面的可用性。

研究人員選取了三種典型的空間光學(xué)材料進(jìn)行試驗(yàn)：熔融石英是一種高純度二氧化硅玻璃，光學(xué)性能穩(wěn)定，表面可拋光到較高質(zhì)量；Zerodur®是由德國肖特公司開發(fā)的一種低膨脹玻璃陶瓷材料，常用于高穩(wěn)定性光學(xué)結(jié)構(gòu)，但薄片拋光時更容易出現(xiàn)整體幾何形變；Invar屬于低膨脹鐵鎳合金，其金屬加工特性使其在薄片形態(tài)下的面型控制更具挑戰(zhàn)。三者性質(zhì)差異顯著，因此在直接鍵合與焊接工藝中的表現(xiàn)也不同。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，研究人員設(shè)計的初始指標(biāo)為：雙面平行盤片、粗糙度Sq≤1nm、平整度約λ/10，厚度1mm，直徑25mm或50mm。實(shí)際加工后的樣品在這些方面可能存在偏離，研究人員在鍵合前重新對所有樣品進(jìn)行了表征：粗糙度通過原子力顯微鏡測量，潤濕性通過水滴接觸角測試來表征表面能與親水性，面型與曲率則由Phasics SID4波前傳感器在1064 nm下獲取，并以五個樣品的平均值作為最終參考。

這些面型測量結(jié)果在隨后的光學(xué)接觸實(shí)驗(yàn)中得到了直接體現(xiàn)。SID4的面型測量結(jié)果顯示Zerodur®圓盤呈輕微凹形，中心略低于邊緣。對應(yīng)地，直徑50mm的Zerodur®/Zerodur® 組件在經(jīng)過2分鐘氬等離子體處理后，其接觸區(qū)域呈環(huán)狀分布，中心部分無法完*接觸（約 45% 接觸面積）。

圖1: 使用波前分析儀測得的 Zerodur® 圓盤表面平整度的對比圖（左），以及 Zerodur® 圓盤的幾何結(jié)構(gòu)示意圖（右）。圖片來源于原論文。

Invar的情況在實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出明顯的幾何特征。波前分析結(jié)果顯示其拋光后的盤片呈現(xiàn)中心略高于邊緣的凸形結(jié)構(gòu)，中心高度差約3.9μm。結(jié)合其較高的表面粗糙度，直接鍵合變得更加具有挑戰(zhàn)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在O?等離子體處理15分鐘后，熔融石英/Invar組合僅觀察到非常有限的光學(xué)接觸，干涉條紋清晰可見；而經(jīng)過Ar 等離子體處理10分鐘時則未形成光學(xué)接觸。盡管接觸面積也并不理想，但這樣的界面狀態(tài)在激光焊接實(shí)驗(yàn)中仍具有參考價值。

圖2: 使用波前分析儀測得的拋光 Invar 圓盤表面平整度對比圖（左），以及拋光 Invar 圓盤的幾何結(jié)構(gòu)示意圖（右）圖片來源于原論文。

相比之下，經(jīng)過2分鐘氬等離子體處理后，熔融石英/熔融石英組件能夠獲得約 75% 的光學(xué)接觸面積，在同類材料組合中表現(xiàn)最佳。測量結(jié)果對比如下:

圖3:初始表面規(guī)格與各材料實(shí)際表面規(guī)格測量對比。從左到右分別為初始表面，熔融石英， Zerodur®， Invar. 圖片來源于原論文。

這些表征結(jié)果(粗糙度、接觸角以及面型與曲率測量)為后續(xù)的直接鍵合實(shí)驗(yàn)提供了必要的背景信息。不同材料在拋光后呈現(xiàn)出不同的表面狀態(tài)，而這些差異隨后也體現(xiàn)在光學(xué)接觸測試中。Zerodur®樣品的面型測量顯示其具有凹形曲率，這一特征與實(shí)驗(yàn)中觀測到的環(huán)狀接觸區(qū)域相一致；Invar圓盤則呈現(xiàn)明顯的凸形，對應(yīng)地其與熔融石英的組合僅產(chǎn)生有限的光學(xué)接觸。通過將這些測量與實(shí)際粘附實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對照，得以更好地理解不同材料在混合鍵合工藝中的表現(xiàn)。

飛秒激光焊接階段：為什么要用相位成像驗(yàn)證折射率變化？

形成初始光學(xué)接觸之后，研究團(tuán)隊需要通過飛秒激光在材料內(nèi)部寫入焊接結(jié)構(gòu)，以提升最終結(jié)合強(qiáng)度。由于飛秒激光會在透明材料內(nèi)部引起局部折射率變化和微熔化區(qū)，焊接效果不僅取決于是否有焊縫形成，還取決于這些折射率變化是否連續(xù)、均勻，避免高能量條件下出現(xiàn)不希望的結(jié)構(gòu)變化。

為此，研究人員繼續(xù)使用了Phasics的SID4-Bio定量相位成像系統(tǒng)：在白光照明下，通過顯微鏡觀察熔融石英體內(nèi)的線狀結(jié)構(gòu)，并使用SID4-Bio對這些結(jié)構(gòu)區(qū)域之間的光程差進(jìn)行定性測量。

在參數(shù)掃描實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊在熔融石英內(nèi)部刻寫平行線結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)改變重復(fù)頻率、運(yùn)動速度和脈沖能量，以調(diào)節(jié)材料內(nèi)的能量累積。在固定運(yùn)動速度1 mm/s、重復(fù)頻率500kHz的條件下，脈沖能量從500nJ提升到900nJ。SID4-Bio的相位圖顯示：在中等能量（約700–800nJ）下，線狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光程變化更平滑、連續(xù)，焊縫形態(tài)均勻；而當(dāng)能量升至900nJ 時，局部相位變化出現(xiàn)不規(guī)則增強(qiáng)，表明改性區(qū)域的均勻性受到影響。

圖4: 在熔融石英樣品體積內(nèi)刻寫線狀結(jié)構(gòu)時，不同脈沖能量下產(chǎn)生的光路厚度變化的相位圖。在運(yùn)動速度保持 1 mm/s、重復(fù)頻率保持 500 kHz 不變的條件下，將脈沖能量從 500 nJ 調(diào)整至 900 nJ（從左到右）。圖片來源于原論文。

通過這些相位對比圖，研究人員能夠觀察熔融石英內(nèi)部的光程差分布，并據(jù)此比較不同激光能量下改性區(qū)域的均勻性。與單純依賴顯微鏡明暗對比相比，相位成像能更直接地反映材料內(nèi)部折射率變化的差異。

在直接鍵合與飛秒激光寫入相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)流程中，研究人員在多種材料（包括熔融石英與 Zerodur®）中獲得了焊接結(jié)構(gòu)，并在同質(zhì)材料的實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的加工特征。在這一過程中，Phasics的兩臺測量設(shè)備發(fā)揮了互補(bǔ)的作用：SID4波前傳感器用于測量樣品表面的宏觀面型，為理解不同材料在直接鍵合階段的接觸表現(xiàn)提供了量化依據(jù)；SID4-Bio則在顯微鏡下呈現(xiàn)材料內(nèi)部的光程差變化，用于比較不同激光參數(shù)對結(jié)構(gòu)改性的影響。兩種測量共同幫助實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊在工藝開發(fā)中獲得必要的實(shí)驗(yàn)信息。

Reference:

[1] Carcreff, J. et al., “Hybrid process for heterogeneous surface bonding," Proc. SPIE 13699, ICSO 2024, 136991D (2025).