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超强激光科学卓越创新简报

(第七百三十四期)

2025年12月7日

上海光机所在蓝宝石–殷瓦合金异质界面非光学接触高强度超快激光焊接方面取得重要进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高端光电装备部杨上陆研究员团队在透明硬脆材料与金属的异质材料超快激光连接领域取得突破性进展。团队首次引入白光干涉测量技术对界面间隙进行纳米级精准测控，成功实现蓝宝石与殷瓦合金在非光学接触条件下的高强度直接连接；有效解决了传统异质材料连接中界面间隙不可控、连接强度受限等关键难题，并系统揭示了不同间隙下的成形机制、界面动力学行为与强度演化规律。相关研究成果以“Ultrafast laser direct welding of sapphire and Invar under non-optical contact conditions with white-light-interferometric gap measurement”为题，发表于Optics Express。

蓝宝石晶体因其优异的光学透明度、高导热性和超强的机械强度，是极端环境下坚固光电应用的理想选择，殷瓦合金（Fe-36Ni）具有出色的热稳定性和极低的热膨胀系数，广泛应用于精密光机支撑件与封装结构。超快激光微焊接技术为二者的高性能集成提供了重要途径，但界面间隙对激光能量吸收、熔融形态和焊接质量具有决定性影响。因此，深入研究界面间隙对焊接过程的调控作用，对于建立稳定可靠的透明材料–金属连接机制至关重要。

针对上述挑战，研究团队引入白光干涉测量技术，实现焊前界面间隙的纳米级定量表征，弥补了传统方法难以准确测量与调控间隙的不足。在此基础上，进一步建立“间隙—界面组织—力学性能”的关联模型，揭示了不同间隙条件（0.15~2.4μm）下的界面成形机制。研究发现，小间隙条件下，蓝宝石在超快激光作用下局域熔融并与金属形成平整致密的连续界面；中等间隙条件下，殷瓦合金发生激光诱导喷发，喷射出的金属碎片进入蓝宝石熔融区并形成机械互锁结构，这一机制突破了传统“等离子体混合”主导的认识；而在大间隙条件下，喷发过量与裂纹积累导致界面呈碎片化结构，接头性能快速下降。力学测试结果表明，蓝宝石/殷瓦合金接头的剪切强度最高可达 291 MPa，约为蓝宝石本征强度的 73%，显著超越现有透明材料–金属焊接技术报道的水平，展现了超快激光连接在高强度异质材料集成中的巨大优势。此外，团队还成功完成直径 100 mm 大尺寸蓝宝石光窗与殷瓦合金环的整体焊接示范，焊缝连续、界面稳定，加工周期约 50 分钟，为工程化应用提供了有力验证。

该研究不仅揭示了透明材料–金属界面在非光学接触条件下的超快激光焊接机制，也为先进光电封装、航天器关键部件、红外探测系统和高端光机结构提供了新的可靠连接技术路径。

中国科学院上海光学精密机械研究所杨上陆研究员为论文通讯作者，李楠博士为论文第一作者，相关工作得到了国家重点研发计划等支持。

原文链接

图1. 具有不同间隙的蓝宝石/殷瓦合金接头的截面扫描电镜结果：(a)-(e) 截面形态，(a1)-(e1) 相应接头的高倍放大形态，(c2) (c) 的喷发区，以及 (c3)-(c6) (c2) 的铁、镍、铝和 O 的元素映射；不同界面间隙的键合机制示意图：(f) 小间隙-蓝宝石熔化和间隙闭合，(g) 中等间隙-剥落引起的金属喷发，(h) 大间隙-过量喷发和裂纹积累

图2. 蓝宝石/殷瓦合金焊接的机械性能和样品试样：(a) 剪切强度与界面间隙的关系，(b) 具有代表性的载荷-位移曲线，(c) 用于剪切强度测试的试样，(d) 大尺寸试样

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