一種基於超短脈衝雷射的光纖切割裝置及切割方法與流程

2023-10-11 19:05:49

本發明屬於光纖加工領域，具體涉及一種基於超短脈衝雷射的光纖切割裝置及切割方法。

背景技術：

光纖熔接或者耦合是光纖工程應用中的關鍵技術，兩者需要光纖端面儘可能光滑。此外，為了減小異質光纖耦合時的反射，還需要對光纖進行角度切割。目前使用最廣泛的光纖切割技術是利用機械刀具進行切割。這種方法由於光纖和刀具直接接觸，容易造成光纖端面的崩裂。特別地，對於近些年興起的空心光子晶體光纖，其結構為周期性微孔組成，採用機械刀具切割容易破壞端面上的微孔結構。為了避免機械刀具切割時的應力，雷射切割技術成為另一個重要選擇。目前雷射切割光纖技術中通常採用CO2輻照光纖產生的熱效應將光纖熔斷，該方法容易使光纖端面產生變形。對於光子晶體光纖，其中的薄壁結構更容易被破壞。

超短脈衝雷射具有極高的峰值功率，聚焦後可對任意材料基於非線性效應進行加工。此外由於其脈衝寬度極窄，相對於長脈衝加工可以極大地減小熱效應。近年來超短脈衝雷射微納加工技術已經引起了大家廣泛的關注。有研究者對利用超短脈衝燒蝕直接切割光纖進行了研究，但是很難獲得與機械切割相同水平的光纖端面。這是由於超短脈衝雷射燒蝕是一種強相互作用，燒蝕時產生的高溫碎屑再沉積到光纖端面時常常引起光纖端面的二次損傷，很難獲得光滑的端面。而採用步進式多次掃描則很難消除連接痕跡。專利201110001367.1提出了一種利用超短脈衝雷射定點切割光纖的方法，然而該方法無法對光纖進行斜切割。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述現有技術中的問題，提供一種基於超短脈衝雷射的光纖切割裝置及切割方法，能夠在普通石英光纖和光子晶體光纖等特種光纖上切割出具有光學平整度的垂直或傾斜光纖端面，光纖的切割角度能夠自由進行調整和控制。

為了實現上述目的，本發明基於超短脈衝雷射的光纖切割裝置採用的技術方案為：包括設置在三維電動平移臺上的角度旋轉平臺，角度旋轉平臺上固定光纖；所述光纖的上方設有顯微物鏡，雷射器發射出的雷射經過二向色鏡反射至顯微物鏡，顯微物鏡對雷射進行聚焦後切割光纖的表面；二向色鏡上方設有用於觀測顯微物鏡聚焦位置的成像透鏡以及CCD探測器；雷射器上安裝光學快門，光學快門與三維電動平移臺分別經過控制器連接計算機，計算機的輸入端接收CCD探測器觀測到的聚焦位置數據並輸出顯示在其屏幕上。

所述的三維電動平移臺和角度旋轉平臺具有帶通光孔的載物臺，且載物臺的下方設置有用於在光纖成像觀測時進行照明的照明光源。

所述的角度旋轉平臺上安裝有用於固定光纖的V型槽光纖磁力夾具，且在光纖表面的待切割位置兩側分別安裝有一個V型槽光纖磁力夾具。

雷射器發射1000Hz重複頻率的飛秒雷射，三維電動平移臺的掃描速率<2000μm/s。

顯微物鏡的放大倍數為5～100，進行聚焦的雷射具有1mW～8mW的功率。

所述顯微物鏡的放大倍數為20。

雷射器發射出的雷射經過可變衰減器投至二向色鏡。

所述三維電動平移臺的定位精度優於1μm。

本發明基於超短脈衝雷射的光纖切割裝置的切割方法包括以下步驟：

首先利用聚焦的雷射通過定點輻照或沿設定角度掃描在光纖上形成微槽，然後從微槽的相對面垂直於光纖軸施加應力使光纖沿微槽裂開，完成切割。

具體地包括以下步驟：步驟一、在三維電動平移臺上安裝角度旋轉平臺，並將光纖固定在角度旋轉平臺上；步驟二、通過成像透鏡和CCD探測器觀測顯微物鏡的聚焦位置，將光纖的待切位置移動至焦點；步驟三、打開雷射器使雷射發射，利用顯微物鏡將雷射聚焦至光纖上，沿設定角度掃描雷射或移動三維電動平移臺使雷射在光纖上切割出微槽；步驟四、將帶有凹槽的壓斷梁移動至微槽的相對側，使微槽對準壓斷梁上凹槽的中心且與微槽的方向平行，利用壓斷梁垂直於光纖軸頂進行下壓，使光纖折斷，完成切割。

與現有技術相比，本發明切割裝置及切割方法能夠在各種材料光纖上實現微米量級定長度及高精度特定角度切割，包括單模或多模石英光纖、碲酸鹽等玻璃光纖、有源光纖、實芯或者空心光子晶體光纖、藍寶石光纖等。對空心光子晶體光纖能夠避免機械切割時的壓力從而保護微結構。雷射刻蝕微槽深度遠遠小於光纖包層半徑，遠離纖芯，無燒蝕產物對光纖端面影響，從而能夠切割出潔淨的光纖端面；採用超短脈衝雷射進行刻蝕，無需像長脈衝雷射加工時需要根據材料選擇雷射波長，更重要的是能夠避免長脈衝或者連續雷射加工中由於熱效應引起的光纖端面變形。利用高精度的三維電動平移臺及成像系統輔助觀察，能夠精確設定光纖的切割位置，角度旋轉平臺能夠任意調整光纖角度，該裝置結構簡單，操作方便。

附圖說明

圖1本發明光纖切割裝置的結構示意圖；

圖2本發明光纖切割時的雷射掃描示意圖；

圖3本發明光纖切割後的壓斷示意圖；

圖4(a)本發明壓斷部件整體結構示意圖；

圖4(b)本發明壓斷梁的左視圖；

圖4(c)本發明壓斷梁的俯視圖；

圖5本發明垂直切割SMF-28石英光纖獲得的光纖端面掃描電子顯微SEM圖像；

圖6本發明垂直切割實芯光子晶體光纖得到的光纖端面的SEM圖像；

圖7本發明垂直切割空心光子晶體光纖得到的光纖端面的SEM圖像；

圖8(a)本發明切割空心光子晶體光纖帶有15°傾斜角的加工端面結果光學顯微側視圖；

圖8(b)本發明切割空心光子晶體光纖帶有15°傾斜角的加工端面結果光學顯微正視圖。

附圖中：1.雷射器；2.雷射；3.光學快門；4.可變衰減器；5.二向色鏡；6.顯微物鏡；7.V型槽光纖磁力夾具；8.光纖；9.角度旋轉平臺；10.三維電動平移臺；11.控制器；12.成像透鏡；13.CCD探測器；14.計算機；15.微槽；16.壓斷梁；17.壓斷梁控制臺；18.照明光源。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。

參見圖1，本發明基於超短脈衝雷射的光纖切割裝置包括設置在三維電動平移臺10上的角度旋轉平臺9，角度旋轉平臺9上固定光纖8，角度旋轉平臺9上安裝有用於固定光纖8的V型槽光纖磁力夾具7，且在光纖8表面的待切割位置兩側分別安裝有一個V型槽光纖磁力夾具7。光纖8的上方設置有顯微物鏡6，雷射器1發射出的雷射2經過二向色鏡5反射至顯微物鏡6，顯微物鏡6對雷射2進行聚焦後切割光纖8的表面。雷射器1發射出的雷射2經過可變衰減器4投至二向色鏡5。二向色鏡5上方設有用於觀測顯微物鏡6聚焦位置的成像透鏡12以及CCD探測器13，CCD探測器13測量數據連接到計算機14輸入端並輸出到其顯示器端顯示，構成成像系統；雷射器1上安裝光學快門3，光學快門3與三維電動平移臺10分別經過控制器11連接計算機14，計算機14的輸入端接收CCD探測器13觀測到的聚焦位置成像數據。三維電動平移臺10和角度旋轉平臺9具有帶通光孔的載物臺，且載物臺的下方設置有用於在光纖成像觀測時進行照明的照明光源18。該切割裝置雷射器1發射出的雷射2為1000Hz重複頻率的飛秒雷射，三維電動平移臺10的掃描速率<2000μm/s。顯微物鏡6的放大倍數為5～100，典型地選擇20倍，雷射器1發射出的雷射2經過可變衰減器4後具有1mW～8mW的功率。三維電動平移臺10的定位精度優於1μm。

參見圖2，3，本發明基於超短脈衝雷射的光纖角度切割方法，包括以下步驟：

1)將光纖8固定在三維電動平移臺10上；將光纖8兩端利用V型槽光纖磁力夾具7固定在三維電動平移臺10上，固定時兩端輕微用力使光纖8不彎曲，以自由狀態固定。

2)利用成像系統觀測光纖位置，移動光纖8使雷射2聚焦在光纖8的上表面，利用三維電動平移臺10移動光纖8使雷射2對準待切割位置。雷射2焦點在垂直雷射傳輸方向平面內位置預先在二維觀察視野中的標定，聚焦深度位置以光纖8的頂端在成像系統中清晰成像位置為參照，根據加工結果調整優化。上述操作中雷射2的能量低於光纖8的破壞閾值。

3)打開超短脈衝的雷射器1，利用顯微物鏡6將超短脈衝雷射聚焦至光纖8上，設定好平臺移動速率和雷射功率，利用三維電動平移臺10將光纖8移動至待刻蝕微槽15的起點，將電控光學快門3打開，使雷射2輻照在光纖8上，同時將三維電動平移臺10沿設定的方向進行掃描，在光纖8的表面刻蝕出微槽15，掃描完畢關閉光學快門3。

4)將帶有微槽15的壓斷梁16移動至光纖的微槽15相對面，利用壓斷梁16從微槽15的相對面垂直與光纖軸壓光纖，使光纖折斷，完成切割；

參見圖4(a)，圖4(b)，圖4(c)，本發明切割裝置的壓斷梁16裝在壓斷梁控制臺17上，壓斷梁控制臺17為微型五軸控制平臺，將帶有微槽15的壓斷梁16移動至光纖微槽15的相對側，旋轉壓斷梁16的角度使光纖8切割出的微槽15與壓斷梁16的凹槽平行，調節壓斷梁16的位置使光纖8上的刻蝕微槽15對準壓斷梁中心位置附近，移動壓斷梁16使其頂壓光纖8直至光纖8斷開，上述操作在成像系統的輔助下完成。

實施例1

本實施例以切割石英SMF-28光纖為例，具體如下：

原始材料：石英光纖SMF-28；

超短脈衝雷射：50fs，800nm，1000Hz；

SMF-28光纖垂直切割的詳細闡述如下：

(1)將光纖8固定於電動平移臺10上，利用帶有V型槽光纖磁力夾具7固定；

(2)選擇20×、數值孔徑0.45的顯微物鏡6，在成像透鏡12和CCD探測器13輔助觀察下，將光纖刻槽位置的起點移動至飛秒雷射2經顯微物鏡6的聚焦位置處，調節三維電動平移臺10，使光纖8的頂端在成像系統中清晰成像，並將該位置在雷射傳輸軸向Z軸的坐標定義為0，靠近顯微物鏡方向定義為負，遠離顯微物鏡方向定義為正。

(3)利用三維電動平移臺10將光纖8在Z軸位置設置為20μm，根據掃描移動平臺使雷射對準待刻槽位置起點。雷射功率設置為2mW，掃描速度設置為100μm/s。打開光學快門3使飛秒雷射2經過顯微物鏡6聚焦在光纖8，同時通過程序控制三維電動平移臺10帶動光纖8沿垂直光纖8軸向方向移動，在光纖8上刻蝕出長度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統輔助下通過調節壓斷梁控制臺17使壓斷梁16上的凹槽從雷射刻蝕位置的相對面對準刻蝕的微槽15，凹槽與微槽15的方向平行，且微槽15對準凹槽的中心位置。移動壓斷梁16頂壓光纖使其折斷，完成光纖8的切割。

參見圖5，從圖中能夠看出切割出的光纖端面光滑平整，沒有燒蝕碎屑汙染。邊緣處刻蝕深度小於20μm，燒蝕區域遠離纖芯傳輸模場區域，不會對光纖內傳輸雷射的模場產生影響。

實施例2

原始材料：實芯光子晶體光纖；

超短脈衝雷射：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纖的固定參考實施例1的相應過程。

(2)光纖8與雷射2聚焦點的相對位置調整方法參考實施例1的相應過程。

(3)利用三維電動平移臺10將光纖8在Z軸位置設置為20μm，根據掃描移動平臺使雷射對準待刻槽位置的起點。雷射功率設置為2mW，掃描速度設置為100μm/s。打開光學快門3使飛秒雷射2經過顯微物鏡聚焦在光纖，同時通過程序控制三維電動平移臺帶動光纖沿垂直光纖8軸向方向移動，在光纖上刻蝕出長度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統輔助下通過調節壓斷梁控制臺17使壓斷梁16上的凹槽從雷射刻蝕位置的相對面對準刻蝕的微槽15，凹槽15與微槽的方向平行，且微槽對準凹槽15的中心位置。移動壓斷梁16頂壓光纖8使其折斷，完成光纖切割。

參見圖6，從圖中能夠看出切割出的光纖端面光滑平整，沒有燒蝕碎屑汙染。邊緣處刻蝕深度小於20μm，不會對光纖內傳輸雷射的模場產生影響。端面上的空孔結構無損傷。

實施例3

原始材料：空心光子晶體光纖；

超短脈衝雷射：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纖8的固定參考實施例1的相應過程。

(2)光纖8與雷射2聚焦點的相對位置調整方法參考實施例1的相應過程。

(3)利用三維電動平移臺10將光纖在Z軸位置設置為20μm，根據掃描移動平臺使雷射對準待刻槽位置起點。雷射功率設置為1.5mW，掃描速度設置為100μm/s。打開光學快門3使飛秒雷射2經過顯微物鏡6聚焦在光纖8上，同時通過程序控制三維電動平移臺10帶動光纖8沿垂直光纖8軸向方向移動，在光纖8上刻蝕出長度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統輔助下通過調節壓斷梁控制臺17使壓斷梁16上的凹槽從雷射刻蝕位置的相對面對準刻蝕的微槽15，凹槽與微槽15的方向平行，且微槽15對準凹槽的中心位置。移動壓斷梁16頂壓光纖8使其折斷，完成光纖8的切割。

參見圖7，從圖中能夠看出切割出的光纖端面光滑平整，沒有燒蝕碎屑汙染。邊緣處刻蝕深度小於20μm，不會對光纖內傳輸雷射的模場產生影響。端面上的空孔結構無損傷。

實施例4

原始材料：空心光子晶體光纖，傾斜15°切割；

超短脈衝雷射：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纖8的固定參考實施例1的相應過程，固定完成之後使用角度旋轉平臺9旋轉光纖8，使得光纖8軸線方向與X軸夾角為15°。

(2)光纖8與雷射2聚焦點的相對位置調整方法參考實施例1的相應過程。

(3)利用三維電動平移臺10將光纖8在Z軸位置設置為20μm，根據掃描移動平臺使雷射對準待刻槽位置起點。雷射功率設置為1.5mW，掃描速度設置為100μm/s。打開光學快門3使飛秒雷射2經過顯微物鏡聚焦在光纖8上，同時通過程序控制三維電動平移10帶動光纖8沿設定方向移動，在光纖8上刻蝕出長度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統輔助下通過旋轉壓斷梁16的角度使壓斷梁16上的凹槽從雷射刻蝕位置的相對面對準刻蝕的微槽15，凹槽與微槽15的方向平行，且微槽15對準凹槽的中心位置。移動壓斷梁16頂壓光纖8使其折斷，完成光纖8的切割。

參見圖8(a)，圖8(b)，本發明光纖切割方法利用聚焦的飛秒雷射在光纖表面沿設定角度切割出微槽，然後利用壓斷梁從微槽相對側頂壓光纖，使光纖沿著微槽方向裂開，實現垂直或角度切割。該方法可實現各種材料光纖的微米量級定長度及高精度特定角度切割。使用該方法切割得到的光纖端面平滑，無燒蝕產物，特別適用於具有微結構的特殊光纖的切割。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變換，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍之內。