在空(kōng)間(jiān)光學係統的(dí)真空環(huán)境中(zhōng)，光(guāng)學(xué)組件需(xū)要(yào)在−150°C到+120°C的熱循環(huán)，發(fā)射載荷帶(dài)來的(dí)機(jī)械振(zhèn)動以(yǐ)及(jí)長期(qī)真空(kōng)下保(bǎo)持(chí)光學與結(jié)構穩(wěn)定(dìng)。在這些條件(jiàn)下(xià)，膠黏劑很容易出現性能(néng)退化(huà)（老(lǎo)化，硬化，吸(xī)濕），界麵(miàn)脫層，脫(tuō)氣(qì)汙染(rǎn)光學表麵(miàn)，以(yǐ)及(jí)由於熱(rè)膨(péng)脹不(bù)匹配帶來的應(yīng)力(lì)積累(léi)。因(yīn)此，一種(zhǒng)能夠在(zài)不同材料(liào)之(zhī)間實現穩定，可靠，且無(wú)需膠黏劑(jì)的連(lián)接工(gōng)藝(yì)，對航天(tiān)光學組(zǔ)件的結構設計具有直接意義(yì)。基於這一(yī)需(xū)求，近期，法國ALPhANOV光學與(yǔ)激(jī)光(guāng)技(jì)術(shù)中心和法國國家太空研究(jiū)中心(xīn)(CNES)的研(yán)究(jiū)團隊提(tí)出了(liǎo)一(yī)種結(jié)合直(zhí)接(jiē)鍵(jiàn)合與(yǔ)飛秒激光(guāng)焊接(jiē)的混合鍵(jiàn)合方(fāng)案(àn)，用(yòng)於實(shí)現(xiàn)熔融石英，Zerodur®與(yǔ)Invar等(děng)材料(liào)之(zhī)間的無(wú)膠連接(jiē)。

在(zài)整套實(shí)驗中，研(yán)究(jiū)團(tuán)隊(duì)使用(yòng)了兩(liǎng)款(kuǎn)基(jī)於四波橫向剪(jiǎn)切幹涉（QWLSI）技術的Phasics設(shè)備(bèi)。SID4波(bō)前(qián)傳(chuán)感(gǎn)器在(zài)1064nm的光(guāng)源(yuán)下(xià)用(yòng)於測(cè)量樣(yàng)品盤片表(biǎo)麵的(dí)平整度(dù)與(yǔ)曲率，判斷(duàn)是否具備建立大麵積光學(xué)接(jiē)觸的(dí)幾(jī)何條(tiáo)件；同時(shí)，團隊還使用了(liǎo)一(yī)台SID4-Bio定量相位(wèi)成(chéng)像(xiàng)相機(jī)在(zài)顯(xiǎn)微(wēi)鏡下觀察熔融石(shí)英內部(bù)激光寫(xiě)入結構的(dí)光程變化(huà)，從而評估折射(shè)率(shuài)變(biàn)化和焊接質量。

直接鍵合前的表麵(miàn)評(píng)估
：為(wéi)什(shí)麼必須(xū)同(tóng)時看粗(cū)糙度(dù)，潤濕性和(hé)麵型？

在混合鍵合方案(àn)中，第(dì)一(yī)步(bù)是建立兩塊材料之間的初始(shǐ)光學接(jiē)觸，而(ér)光(guāng)學接觸(chù)的(dí)質量取決於三個(gè)方麵(miàn)
：表(biǎo)麵粗(cū)糙度，表麵潤(rùn)濕(shī)性(xìng)以(yǐ)及整體麵型(xíng)曲(qū)率。粗糙(cāo)度Sq(Root Mean Square Roughness)決定兩塊(kuài)材(cái)料(liào)在(zài)微觀尺(chǐ)度上是否(fǒu)真的貼(tiē)合，如(rú)果(guǒ)表(biǎo)麵(miàn)粗(cū)糙(cāo)度過(guò)高，表麵(miàn)峰穀(gǔ)會(huì)讓(ràng)真實(shí)接觸僅(jǐn)發生(shēng)在少數高點位置，既(jì)限製(zhì)光學(xué)接觸(chù)麵積(jī)，也使後續(xù)激光(guāng)焊接的焦(jiāo)點(diǎn)位(wèi)置和能量(liáng)沉積不(bù)穩(wěn)定(dìng)。潤濕(shī)性(xìng)反(fǎn)映(yìng)表(biǎo)麵(miàn)能與親水(shuǐ)程度(dù)，是(shì)判斷(duàn)能(néng)否在(zài)等離子(zǐ)體處(chǔ)理後(hòu)建立(lì)氫(qīng)鍵(jiàn)和(hé)範(fàn)德華力，從(cóng)而形(xíng)成(chéng)分子級直(zhí)接鍵合的(dí)重要指標(biāo)。整體麵(miàn)型(xíng)和(hé)平麵度（以及是(shì)否帶(dài)有凹形或(huò)凸(tū)形(xíng)曲(qū)率(shuài)）則控製(zhì)了(liǎo)在(zài)宏觀尺(chǐ)度上可實現的接(jiē)觸(chù)範圍(wéi)
：即便粗糙(cāo)度(dù)足夠低，如果(guǒ)盤(pán)片(piàn)整體(tǐ)略(lüè)微鼓起(qǐ)或(huò)塌陷，實際可(kě)接(jiē)觸區域(yù)仍(réng)會(huì)被限製(zhì)在局部，難(nán)以(yǐ)實現大麵積光學(xué)接(jiē)觸。

正(zhèng)因為光學接(jiē)觸(chù)對表(biǎo)麵狀(zhuàng)態極其敏感，設(shè)計與(yǔ)采購時(shí)給出的規格並不能代(dài)表(biǎo)拋光後(hòu)的真實狀(zhuàng)態(tài)。材(cái)料在(zài)拋光，夾(jiā)持，運(yùn)輸(shū)甚至(zhì)清(qīng)洗過(guò)程中都可能(néng)引(yǐn)入曲率(shuài)偏差或局部麵(miàn)型(xíng)誤差(chà)，而這些誤(wù)差會直(zhí)接(jiē)決定最(zuì)終(zhōng)能否形(xíng)成足夠(gòu)大(dà)的接觸麵(miàn)積。因(yīn)此(cǐ)，在開(kāi)展直(zhí)接鍵(jiàn)合和(hé)焊接工(gōng)藝之前，須對(duì)每種(zhǒng)材(cái)料(liào)的實際(jì)表麵(miàn)質量(liáng)進行重(zhòng)新(xīn)表征(zhēng)，用真實數據來判斷界麵(miàn)的(dí)可(kě)用(yòng)性(xìng)。

研(yán)究人(rén)員(yuán)選取了三(sān)種(zhǒng)典(diǎn)型的(dí)空(kōng)間(jiān)光學材(cái)料(liào)進(jìn)行試驗
：熔融(róng)石(shí)英(yīng)是(shì)一種高(gāo)純度(dù)二氧化矽玻璃(lí)，光學性(xìng)能穩定，表(biǎo)麵可(kě)拋光(guāng)到較(jiào)高質量(liáng)；Zerodur®是由德國(guó)肖(xiāo)特(tè)公司開發(fā)的一種低(dī)膨(péng)脹(zhàng)玻璃陶(táo)瓷(cí)材料(liào)，常用於高穩(wěn)定性光(guāng)學(xué)結(jié)構(gòu)，但薄(báo)片拋(pāo)光時更容易出(chū)現整體(tǐ)幾何形變(biàn)；Invar屬於低膨脹(zhàng)鐵鎳合(hé)金，其金(jīn)屬加工(gōng)特(tè)性使其在(zài)薄片形態下(xià)的麵(miàn)型控(kòng)製更(gēng)具挑戰(zhàn)。三(sān)者(zhě)性質(zhì)差異顯(xiǎn)著(zhù)，因(yīn)此在直接鍵(jiàn)合與焊(hàn)接工(gōng)藝中(zhōng)的(dí)表現也不同。

在實驗(yàn)設(shè)計中，研究(jiū)人員(yuán)設(shè)計(jì)的(dí)初始(shǐ)指標為(wéi)
：雙(shuāng)麵平行盤(pán)片，粗(cū)糙度(dù)Sq≤1nm，平(píng)整(zhěng)度約(yuē)λ/10，厚度1mm，直徑25mm或(huò)50mm。實(shí)際加(jiā)工後的(dí)樣(yàng)品(pǐn)在(zài)這(zhè)些方麵(miàn)可能存(cún)在(zài)偏離，研究人員在(zài)鍵合(hé)前(qián)重(zhòng)新對所有(yǒu)樣(yàng)品進(jìn)行了(liǎo)表征
：粗(cū)糙度(dù)通過(guò)原(yuán)子力(lì)顯微(wēi)鏡測(cè)量，潤(rùn)濕(shī)性(xìng)通過水(shuǐ)滴(dī)接觸(chù)角測(cè)試(shì)來(lái)表征(zhēng)表麵能(néng)與親水性，麵型與曲率則(zé)由Phasics SID4波前傳感(gǎn)器在(zài)1064 nm下(xià)獲(huò)取(qǔ)，並(bìng)以五(wǔ)個樣品(pǐn)的(dí)平均值作(zuò)為(wéi)最終參(cān)考(kǎo)。

這些麵(miàn)型(xíng)測量結果在隨(suí)後的光學(xué)接觸(chù)實驗中得(dé)到(dào)了(liǎo)直接體現。SID4的麵型測(cè)量結果顯示Zerodur®圓盤呈輕微凹形(xíng)，中心略低(dī)於邊緣(yuán)。對(duì)應地，直(zhí)徑(jìng)50mm的Zerodur®/Zerodur® 組件(jiàn)在(zài)經過2分鐘(zhōng)氬等離(lí)子體(tǐ)處理(lǐ)後(hòu)，其(qí)接觸(chù)區(qū)域呈環(huán)狀分布(bù)，中(zhōng)心部分無(wú)法(fǎ)完*接觸（約(yuē) 45% 接(jiē)觸(chù)麵積）。

圖(tú)1: 使(shǐ)用(yòng)波前(qián)分(fēn)析(xī)儀測得的(dí) Zerodur® 圓盤(pán)表(biǎo)麵平整(zhěng)度的對(duì)比(bǐ)圖（左(zuǒ)），以及(jí) Zerodur® 圓盤(pán)的幾(jī)何結構示(shì)意圖(tú)（右(yòu)）。圖(tú)片來(lái)源於原論(lùn)文。

Invar的情(qíng)況(kuàng)在(zài)實驗中(zhōng)也表(biǎo)現出(chū)明顯(xiǎn)的(dí)幾何(hé)特(tè)征。波前分析結果顯(xiǎn)示其拋光後(hòu)的(dí)盤片(piàn)呈現(xiàn)中心略(lüè)高於(yú)邊(biān)緣(yuán)的(dí)凸(tū)形(xíng)結(jié)構(gòu)，中心高(gāo)度差約3.9μm。結(jié)合(hé)其較高的(dí)表(biǎo)麵粗糙度(dù)，直(zhí)接鍵合變得更(gēng)加(jiā)具有挑戰性。實(shí)驗結果表明，在O₂等離子體(tǐ)處理15分鐘後，熔融(róng)石英/Invar組(zǔ)合僅觀(guān)察(chá)到非常有限(xiàn)的光學接觸，幹涉條紋(wén)清(qīng)晰(xī)可(kě)見(jiàn)；而經過Ar 等離(lí)子體(tǐ)處理10分鐘時則未形成(chéng)光(guāng)學(xué)接觸。盡(jìn)管(guǎn)接(jiē)觸麵積(jī)也(yě)並(bìng)不(bù)理想，但這樣的(dí)界麵狀(zhuàng)態在(zài)激光(guāng)焊接實(shí)驗中仍(réng)具有參考(kǎo)價值。

圖2: 使用(yòng)波前(qián)分析儀測得(dé)的拋(pāo)光(guāng) Invar 圓盤表麵平整(zhěng)度(dù)對(duì)比圖（左(zuǒ)），以及拋(pāo)光(guāng) Invar 圓盤(pán)的(dí)幾何(hé)結(jié)構(gòu)示意圖(tú)（右(yòu)）圖片(piàn)來源於原論文(wén)。

相(xiāng)比之(zhī)下，經過2分鐘(zhōng)氬等(děng)離(lí)子(zǐ)體處理(lǐ)後，熔(róng)融(róng)石(shí)英/熔融石英組件(jiàn)能夠獲得(dé)約(yuē) 75% 的光學接(jiē)觸麵積(jī)，在同類(lèi)材(cái)料組(zǔ)合中表(biǎo)現最(zuì)佳。測(cè)量結果對比(bǐ)如(rú)下(xià):

圖(tú)3:初始(shǐ)表麵(miàn)規格(gé)與(yǔ)各材(cái)料實(shí)際表麵(miàn)規格測(cè)量對(duì)比(bǐ)。從左(zuǒ)到右分別為初始表麵(miàn)，熔融石英， Zerodur®， Invar. 圖(tú)片(piàn)來源於原論文。

這(zhè)些表征結(jié)果(guǒ)(粗(cū)糙(cāo)度，接觸角以及(jí)麵型與(yǔ)曲率測量)為後(hòu)續的直接鍵(jiàn)合(hé)實驗(yàn)提(tí)供了(liǎo)必要(yào)的(dí)背(bèi)景信(xìn)息(xī)。不(bù)同材料(liào)在(zài)拋光(guāng)後(hòu)呈(chéng)現出(chū)不(bù)同(tóng)的表(biǎo)麵(miàn)狀(zhuàng)態(tài)，而這些差異(yì)隨後(hòu)也體(tǐ)現(xiàn)在光學(xué)接(jiē)觸(chù)測試中(zhōng)。Zerodur®樣品的麵型(xíng)測量(liáng)顯示其具(jù)有(yǒu)凹形(xíng)曲(qū)率，這一(yī)特征(zhēng)與(yǔ)實驗(yàn)中觀測(cè)到的環(huán)狀接觸(chù)區域相一致；Invar圓盤則呈現明顯的凸形(xíng)，對應(yīng)地其(qí)與熔融(róng)石英的組合(hé)僅(jǐn)產生(shēng)有限(xiàn)的光學(xué)接觸。通過將(jiāng)這(zhè)些測(cè)量與實際粘(nián)附(fù)實(shí)驗結果(guǒ)進行(háng)對(duì)照，得(dé)以更(gēng)好地理解不同材料在(zài)混(hùn)合(hé)鍵(jiàn)合工藝中(zhōng)的(dí)表現。

飛秒(miǎo)激光(guāng)焊接階段(duàn)
：為什(shí)麼(mó)要用(yòng)相位成像驗證(zhèng)折(zhē)射(shè)率變化(huà)？

形成初(chū)始光學(xué)接(jiē)觸之後，研(yán)究團隊需要通過飛秒(miǎo)激(jī)光(guāng)在(zài)材(cái)料內部寫(xiě)入(rù)焊(hàn)接(jiē)結(jié)構(gòu)，以提升(shēng)最終(zhōng)結合強(qiáng)度。由(yóu)於(yú)飛(fēi)秒激(jī)光會在透明材料內部(bù)引起局(jú)部折射率變(biàn)化(huà)和(hé)微熔(róng)化區(qū)，焊接(jiē)效果(guǒ)不僅取決(jué)於是(shì)否有焊縫(féng)形成(chéng)，還取(qǔ)決於(yú)這(zhè)些(xiē)折射(shè)率變(biàn)化是否連(lián)續，均(jūn)匀，避免(miǎn)高(gāo)能(néng)量條件下出(chū)現(xiàn)不希望的結(jié)構(gòu)變(biàn)化(huà)。

為(wéi)此(cǐ)，研(yán)究(jiū)人員繼(jì)續(xù)使(shǐ)用了(liǎo)Phasics的SID4-Bio定(dìng)量(liáng)相位成(chéng)像(xiàng)係(xì)統
：在白光(guāng)照明下，通(tōng)過(guò)顯微(wēi)鏡觀(guān)察(chá)熔(róng)融(róng)石(shí)英體內的綫狀結構，並使(shǐ)用(yòng)SID4-Bio對這些結(jié)構(gòu)區域之間的光(guāng)程(chéng)差(chà)進行(háng)定性測量。

在參數掃描實(shí)驗(yàn)中，團隊在(zài)熔融石英內(nèi)部刻寫平(píng)行綫(xiàn)結構(gòu)，並係(xì)統改變重復頻率，運(yùn)動速度和(hé)脈衝能量(liáng)，以調(tiáo)節材料內的能(néng)量(liáng)累(léi)積。在固(gù)定運(yùn)動速度(dù)1 mm/s，重復頻率500kHz的(dí)條(tiáo)件下，脈(mài)衝能量從(cóng)500nJ提(tí)升(shēng)到900nJ。SID4-Bio的相位圖(tú)顯(xiǎn)示
：在(zài)中(zhōng)等(děng)能(néng)量（約700–800nJ）下(xià)，綫狀(zhuàng)結構(gòu)內部的(dí)光(guāng)程(chéng)變(biàn)化(huà)更平滑，連(lián)續(xù)，焊(hàn)縫形態均(jūn)匀(yún)；而當能量(liáng)升至900nJ 時(shí)，局部相(xiāng)位變(biàn)化出現不(bù)規(guī)則(zé)增強，表(biǎo)明改性(xìng)區域(yù)的均匀性受(shòu)到(dào)影響。

圖(tú)4: 在(zài)熔融石英樣品(pǐn)體(tǐ)積內刻寫(xiě)綫(xiàn)狀結構(gòu)時，不同脈(mài)衝能量下產(chǎn)生的光(guāng)路(lù)厚度(dù)變化(huà)的(dí)相位圖(tú)。在運動速(sù)度保(bǎo)持 1 mm/s，重復(fù)頻(pín)率保持(chí) 500 kHz 不變(biàn)的條(tiáo)件下，將脈衝能(néng)量從 500 nJ 調(tiáo)整(zhěng)至(zhì) 900 nJ（從左(zuǒ)到右）。圖片來源於(yú)原論文(wén)。

通過這些(xiē)相位對(duì)比(bǐ)圖，研究人員能夠(gòu)觀(guān)察熔融石英(yīng)內(nèi)部的光(guāng)程差分布，並(bìng)據此比較不(bù)同(tóng)激光(guāng)能量(liáng)下(xià)改性(xìng)區域的均匀性(xìng)。與單(dān)純依(yī)賴顯(xiǎn)微(wēi)鏡(jìng)明暗(àn)對比(bǐ)相(xiāng)比，相位(wèi)成(chéng)像能(néng)更(gēng)直(zhí)接(jiē)地反映材料內部折(zhē)射率變化(huà)的差異(yì)。

在直(zhí)接鍵合與(yǔ)飛秒激光寫入相(xiāng)結(jié)合的實驗流(liú)程中，研(yán)究人員(yuán)在多種(zhǒng)材料(liào)（包(bāo)括(kuò)熔融(róng)石英(yīng)與 Zerodur®）中(zhōng)獲得(dé)了(liǎo)焊(hàn)接結(jié)構(gòu)，並在同質材料(liào)的實驗中實現了可(kě)重復的加(jiā)工特(tè)征(zhēng)。在這一過(guò)程(chéng)中(zhōng)，Phasics的(dí)兩台測量設備(bèi)發揮了互補(bǔ)的作用(yòng)
：SID4波(bō)前傳(chuán)感(gǎn)器(qì)用(yòng)於測量樣品表麵的宏觀(guān)麵型，為(wéi)理(lǐ)解(jiě)不同(tóng)材(cái)料在直(zhí)接鍵(jiàn)合(hé)階(jiē)段的(dí)接(jiē)觸表(biǎo)現(xiàn)提供了量化依據；SID4-Bio則在顯微(wēi)鏡下(xià)呈現(xiàn)材料(liào)內部(bù)的光(guāng)程差變(biàn)化，用於比(bǐ)較不同(tóng)激光參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)改性(xìng)的影響。兩(liǎng)種測量(liáng)共同幫(bāng)助(zhù)實驗團(tuán)隊在(zài)工藝開發中獲得必要(yào)的(dí)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).