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标题:肖特超越传统 研发全新光学材料粘合法发布时间:2011-4-19
 
     德国肖特集团作为特种玻璃及相关特种材料、元件和系统制造行业的领先者,一直以来致力于专业化的解决方案和最新技术的研究和发展。此次肖特再次超越传统的光学材料接合技术,以低温粘合法(LTB)技术开辟了玻璃或微晶玻璃元件粘合的革新之路。低温粘合法(LTB)采用无机的粘合溶剂,可以使此类元件之间达到牢固、耐久的连接,并且工艺条件极为简单,投入降至最低。使用这种技术制造的第一批产品在2005年初便可投放市场。

    在光学加工行业中,接合玻璃或微晶玻璃元件是一项常规的工作。在此项工作中,一般采用的是通过紫外光或受热而凝固的有机粘合剂。在一些极端的条件下-例如较大的温度变化或在高真空条件下-分层的粘合剂可能会发生老化或顺速脱气。这将会对光学系统的性能产生负面的影响。传统的粘合技术,如烧结或溶合技术,可作为备选方案。这些技术需要极高的工艺温度,而高温会对待粘合的部件发生变化。若使用的材料不同,热膨胀在冷却期间会产生机械应力,这将会改变折射率(应力双折射),弄不好还会损坏元件。

    低温粘合(LTB)工艺

    低温粘合法(LTB)是一种全新的光学元件粘合的方法,采用改进的光学材料接合技术,即使在室温条件下,也能产生机械强度高以及光学透明的原子级接缝。此工艺无需使用有机化学剂,特别适用于需承受极端条件的元件。

    此项技术的前提条件是需要有极高的清洁度和极高的吸水性表面。这样才可以确保粘合溶液的均匀分布。一旦此溶液应用到第一个元件,第二个元件也将与其接触。其表面将会被浸蚀,新产生的化合物便会形成一坚固的中间层。因为生成的唯一附产物是水蒸汽,因此,在整个过程中,接合处必须进行脱水处理。该反应可以在室温条件下进行,无需附加的资源,如紫外光、高温或高压。其具体情形与溶胶凝胶反应最为接近,都出现液体蒸发。

    在研制过程中,接合处最初显示对潮气有着不可忽略的易感性。底层的表面粗糙度被证明是一个关键的因素。当经过磨光处理时,而非仅仅打磨,表面通过采用LTB方法被粘合。在恒温恒湿箱中未发现明显的变质退化现象。(请参见下一章节结尾的详细说明)。对于受到外界潮气的潜在影响的涂敷区域,低温粘合法将限于在接触表面磨光(或可磨光)的接合元件上使用。

    特征

    生成的接合处的特征为:极低的热膨胀和极高的热稳定性。上限温度主要由所使用玻璃类型的熔点决定。从160 nm - 2 µm,接合处具有光学透明度,对激光具有耐受性,并且具有足够的机械强度,可允许接合部位进行研磨加工、打磨和磨光处理。

    为了展示LTB的技术,肖特集团通过使用不同的材料进行了大量的实验。除了不同类型的玻璃和玻璃陶瓷,一些水晶材料,如硅、锗、砷化镓、S-FAP、兰宝石和YAG [钇铝石榴石(用于产生激光束的氧化铝合成晶石)]都采用了LTB技术接合。所形成的粘合层的厚度非常均匀;厚度大小范围小于 100 nm - 2.5 µm,这取决于底层的表面粗糙度以及粘合溶液的成分。在室温条件下,几周内便可达到完全的机械稳定性。粘接后的热处理可以使得接合处满足不同规格要求。

    对于由微晶玻璃“Zerodur”制成的元件,肖特同样也进行了一系列的实验。该种材料最突出的特点是其几乎为零的热膨胀和极高的耐温性。因此这种材料主要用于天文气象领域。对于这些试验,采用LTB法将经过精细抛光的或只经过打磨的Zerodur 圆盘成对地粘合在一起。然后便对一些粘合的圆盘进行热处理。所有的夹层都获得了单片Zerodur原始值的80%左右的机械强度;它们的热膨胀(从室温至300 ℃)与无任何接缝的圆盘的相似,即热膨胀极低。

    然而,在物候试验中也有差异。采用LTB方法粘合的具有抛光表面的圆盘,在温度为85℃,相对湿度为85%的恒温恒湿箱中,进行3分钟的液态氮的沉浸,可在一周内无明显的变质退化现象。那些表面只进行打磨,但在粘合之前未进行抛光处理的接合处可以经受液态氮的沉浸而不会有任何问题,但是在进行物候试验后,其中一些便会显示明显的变质退化现象。

    应用和初始的产品

    采用LTB技术加工的初始的产品将于2005年初投入市场:偏振光束分光器(PBS),用于硅液晶(LCOS)的数字投影仪。PBS的任务是将入射光分成平行和垂直偏振的光,然后将其导引至下游的LCOS晶片上。因此,它们由一套两个屋脊形的棱镜构成,该棱镜带有一极化涂层并装配成立方体。因为在LCOS投影仪运行期间,PBS内会出现较大的温差变化,棱镜需要用特殊用途的光学玻璃制成,该光学玻璃应具有很高的铅成分以及具有极低的应力-光学系数。由此,即使温差变化很大,产生的应力双折射也可忽略不计。LTB技术被选为粘接技术,是因为它能最大程度的满足各类使用条件。

    LTB技术另外一种预计的用途为轻型镜片的结构,如太空使用的望远镜。一开始,镜片由坚固的Zerodur块构成,后部的表面被切割成蜂窝状,然后进行浸蚀处理。尽管重量减少到70%,但是维持了所要求的机械稳定性。这种方法,由于材料和时间都非常昂贵,今后会被LTB技术替代,即在一块薄镜片的后表面上安装蜂窝状结构,开口朝后。初步的试用显示了极佳的市场前景:采用LTB技术,可以对直径为265mm以下以及壁厚仅为2mm的轻型结构进行加工。进一步的实验,目的是为了加工更大尺寸的元件。

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