Phasics在无胶光学键合中的重要性

在空间光学系统的真空环境中，光学组件需要在−150°C到+120°C的热循环、发射载荷带来的机械振动以及长期真空下保持光学与结构稳定。在这些条件下，胶黏剂很容易出现性能退化（老化、硬化、吸湿）、界面脱层、脱气污染光学表面，以及由于热膨胀不匹配带来的应力积累。因此，一种能够在不同材料之间实现稳定、可靠、且无需胶黏剂的连接工艺，对航天光学组件的结构设计具有直接意义。基于这一需求，近期，法国ALPhANOV光学与激光技术中心和法国国家太空研究中心(CNES)的研究团队提出了一种结合直接键合与飞秒激光焊接的混合键合方案，用于实现熔融石英、Zerodur®与Invar等材料之间的无胶连接。

在整套实验中，研究团队使用了两款基于四波横向剪切干涉（QWLSI）技术的Phasics设备。SID4波前传感器在1064nm的光源下用于测量样品盘片表面的平整度与曲率，判断是否具备建立大面积光学接触的几何条件；同时，团队还使用了一台SID4-Bio定量相位成像相机在显微镜下观察熔融石英内部激光写入结构的光程变化，从而评估折射率变化和焊接质量。

直接键合前的表面评估：为什么必须同时看粗糙度、润湿性和面型？

在混合键合方案中，第一步是建立两块材料之间的初始光学接触，而光学接触的质量取决于三个方面：表面粗糙度、表面润湿性以及整体面型曲率。粗糙度Sq(Root Mean Square Roughness)决定两块材料在微观尺度上是否真的贴合，如果表面粗糙度过高，表面峰谷会让真实接触仅发生在少数高点位置，既限制光学接触面积，也使后续激光焊接的焦点位置和能量沉积不稳定。润湿性反映表面能与亲水程度，是判断能否在等离子体处理后建立氢键和范德华力、从而形成分子级直接键合的重要指标。整体面型和平面度（以及是否带有凹形或凸形曲率）则控制了在宏观尺度上可实现的接触范围：即便粗糙度足够低，如果盘片整体略微鼓起或塌陷，实际可接触区域仍会被限制在局部，难以实现大面积光学接触。

正因为光学接触对表面状态极其敏感，设计与采购时给出的规格并不能代表抛光后的真实状态。材料在抛光、夹持、运输甚至清洗过程中都可能引入曲率偏差或局部面型误差，而这些误差会直接决定最终能否形成足够大的接触面积。因此，在开展直接键合和焊接工艺之前，须对每种材料的实际表面质量进行重新表征，用真实数据来判断界面的可用性。

研究人员选取了三种典型的空间光学材料进行试验：熔融石英是一种高纯度二氧化硅玻璃，光学性能稳定，表面可抛光到较高质量；Zerodur®是由德国肖特公司开发的一种低膨胀玻璃陶瓷材料，常用于高稳定性光学结构，但薄片抛光时更容易出现整体几何形变；Invar属于低膨胀铁镍合金，其金属加工特性使其在薄片形态下的面型控制更具挑战。三者性质差异显著，因此在直接键合与焊接工艺中的表现也不同。

在实验设计中，研究人员设计的初始指标为：双面平行盘片、粗糙度Sq≤1nm、平整度约λ/10，厚度1mm，直径25mm或50mm。实际加工后的样品在这些方面可能存在偏离，研究人员在键合前重新对所有样品进行了表征：粗糙度通过原子力显微镜测量，润湿性通过水滴接触角测试来表征表面能与亲水性，面型与曲率则由Phasics SID4波前传感器在1064 nm下获取，并以五个样品的平均值作为最终参考。

这些面型测量结果在随后的光学接触实验中得到了直接体现。SID4的面型测量结果显示Zerodur®圆盘呈轻微凹形，中心略低于边缘。对应地，直径50mm的Zerodur®/Zerodur® 组件在经过2分钟氩等离子体处理后，其接触区域呈环状分布，中心部分无法完*接触（约 45% 接触面积）。

图1: 使用波前分析仪测得的 Zerodur® 圆盘表面平整度的对比图（左），以及 Zerodur® 圆盘的几何结构示意图（右）。图片来源于原论文。

Invar的情况在实验中也表现出明显的几何特征。波前分析结果显示其抛光后的盘片呈现中心略高于边缘的凸形结构，中心高度差约3.9μm。结合其较高的表面粗糙度，直接键合变得更加具有挑战性。实验结果表明，在O₂等离子体处理15分钟后，熔融石英/Invar组合仅观察到非常有限的光学接触，干涉条纹清晰可见；而经过Ar 等离子体处理10分钟时则未形成光学接触。尽管接触面积也并不理想，但这样的界面状态在激光焊接实验中仍具有参考价值。

图2: 使用波前分析仪测得的抛光 Invar 圆盘表面平整度对比图（左），以及抛光 Invar 圆盘的几何结构示意图（右）图片来源于原论文。

相比之下，经过2分钟氩等离子体处理后，熔融石英/熔融石英组件能够获得约 75% 的光学接触面积，在同类材料组合中表现最佳。测量结果对比如下:

图3:初始表面规格与各材料实际表面规格测量对比。从左到右分别为初始表面，熔融石英， Zerodur®， Invar. 图片来源于原论文。

这些表征结果(粗糙度、接触角以及面型与曲率测量)为后续的直接键合实验提供了必要的背景信息。不同材料在抛光后呈现出不同的表面状态，而这些差异随后也体现在光学接触测试中。Zerodur®样品的面型测量显示其具有凹形曲率，这一特征与实验中观测到的环状接触区域相一致；Invar圆盘则呈现明显的凸形，对应地其与熔融石英的组合仅产生有限的光学接触。通过将这些测量与实际粘附实验结果进行对照，得以更好地理解不同材料在混合键合工艺中的表现。

飞秒激光焊接阶段：为什么要用相位成像验证折射率变化？

形成初始光学接触之后，研究团队需要通过飞秒激光在材料内部写入焊接结构，以提升最终结合强度。由于飞秒激光会在透明材料内部引起局部折射率变化和微熔化区，焊接效果不仅取决于是否有焊缝形成，还取决于这些折射率变化是否连续、均匀，避免高能量条件下出现不希望的结构变化。

为此，研究人员继续使用了Phasics的SID4-Bio定量相位成像系统：在白光照明下，通过显微镜观察熔融石英体内的线状结构，并使用SID4-Bio对这些结构区域之间的光程差进行定性测量。

在参数扫描实验中，团队在熔融石英内部刻写平行线结构，并系统改变重复频率、运动速度和脉冲能量，以调节材料内的能量累积。在固定运动速度1 mm/s、重复频率500kHz的条件下，脉冲能量从500nJ提升到900nJ。SID4-Bio的相位图显示：在中等能量（约700–800nJ）下，线状结构内部的光程变化更平滑、连续，焊缝形态均匀；而当能量升至900nJ 时，局部相位变化出现不规则增强，表明改性区域的均匀性受到影响。

图4: 在熔融石英样品体积内刻写线状结构时，不同脉冲能量下产生的光路厚度变化的相位图。在运动速度保持 1 mm/s、重复频率保持 500 kHz 不变的条件下，将脉冲能量从 500 nJ 调整至 900 nJ（从左到右）。图片来源于原论文。

通过这些相位对比图，研究人员能够观察熔融石英内部的光程差分布，并据此比较不同激光能量下改性区域的均匀性。与单纯依赖显微镜明暗对比相比，相位成像能更直接地反映材料内部折射率变化的差异。

在直接键合与飞秒激光写入相结合的实验流程中，研究人员在多种材料（包括熔融石英与 Zerodur®）中获得了焊接结构，并在同质材料的实验中实现了可重复的加工特征。在这一过程中，Phasics的两台测量设备发挥了互补的作用：SID4波前传感器用于测量样品表面的宏观面型，为理解不同材料在直接键合阶段的接触表现提供了量化依据；SID4-Bio则在显微镜下呈现材料内部的光程差变化，用于比较不同激光参数对结构改性的影响。两种测量共同帮助实验团队在工艺开发中获得必要的实验信息。

Reference:

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