CN101028670A - 超短脉冲激光微加工制作光纤f－p传感器的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种超短脉冲激光微加工制作光纤F－P传感器的方法及设备，将超短脉冲激光特别是飞秒激光通过激光全反镜和聚焦系统后对待加工光纤进行F－P腔加工，生成光纤F－P传感器，同时通过一个半透半反镜将待加工光纤上的加工图像和定位情况反射到CCD摄像机后传输到监视器。本发明方法和设备解决了传统的光纤F－P传感器灵敏度低且传感器与待测材料不相容的技术问题，具有传感灵敏度高、传感器与待测材料的相容性好、精度高、操作简便、可实时监视、能量损失小，利用率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光微加工方法及设备，尤其涉及一种超短脉冲激光微加工方法及设备。
背景技术
近年来，迅速发展的光纤灵巧结构(smart structure)的研究，是集光纤传感、材料科学、机械制造、电子与控制、以及航空航天技术为一体的多学科综合性研究领域。它在未来的新型飞机、宇宙空间战、建筑和水利等方面有着广阔的应用前景。光纤传感技术是其中的一个重要的组成部分。光纡传感器灵敏度高、动态范围大，因此，在灵巧结构中是其它类型的传感器无法替代的。
而其中的光纤法布里-珀罗(F-P)传感器为灵巧结构中最有前景的传感器之一，与其它类型光纤传感器相比，F-P传感器的优点在于高精度的定位能力、高的传蘑灵敏度和简单的单根单端结构。
传统的光纤F-P传感器见图1，其缺点是由于传感区(SMF)有外加增强机械强度的空心光纤或金属套，从而降低了传感灵敏度，并使传感区横截面积增大导致增大了传感器与待测材料的不相容性。
发明内容
本发明目的是提供一种超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法及设备，其解决了传统的光纤F-P传感器灵敏度低且传感器与待测材料不相容的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
1]准备待加工光纤：将待加工光纤14安装在三维移动平台16上；
2]产生超短脉冲激光束：由超短脉冲激光系统1输出一束超短脉冲激光；
3]生成激光焦点：该超短脉冲激光通过激光全反镜12进行反射，再通过聚焦系统13聚焦到待加工光纤14对应的在焦平面，进行F-P腔加工，生成光纤F-P传感器；
4]监视待加工光纤的加工和定位情况：将一个与超短脉冲激光系统1光束方向平行设置的反射照明光源6通过半透半反镜11反射到待加工光纤14上，设置在半透半反镜11透射方向的CCD摄像机8将加工图像和定位情况传输到监视器10。
上述产生超短脉冲激光束的步骤还包括将该束超短脉冲激光束进行光束匀化和能量调节的步骤；所述生成激光焦点的步骤还包括控制激光束通断的步骤。
上述能量调节步骤是通过二分之一波片3和偏振片2组合成的能量调节元件完成的；所述控制激光束通断的步骤是通过计算机15控制快门21来实现的。
上述超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法还包括生成激光焦点的同时控制三维移动平台16移动的步骤。
一种超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特殊之处是：所述设备包括超短脉冲激光系统1、激光全反镜12、聚焦系统13、可设置待加工光纤14的三维移动平台16、计算机15以及实时监视系统，所述超短脉冲激光系统1设置在激光全反镜12的入射方向，所述聚焦系统13设置在激光全反镜12的反射方向，所述三维移动平台16设置在聚焦系统13的正下方。
上述超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备还包括光束控制系统，所述光束控制系统包括二分之一波片3和偏振片2。
上述实时监视系统包括反射照明光源6和透射照明光源17、半透半反镜11、CCD摄像机8和监视器10，所述反射照明光源6与超短脉冲激光系统1平行设置，所述半透半反镜11设置在激光全反镜12的正上方，所述CCD摄像机8设置在半透半反镜11的正上方；所述透射照明光源17设置在三维移动平台16下方。
上述超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备还包括金属筒29，所述半透半反镜11设置在金属筒29内部上方，所述激光全反镜12设置在金属筒29内部下方，所述金属筒29的外侧面上相应设置有可分别透过激光束和照明光源的圆孔，所述超短脉冲激光系统1和反射照明光源6平行设置在金属筒29的外侧，所述三维移动平台16设置在金属筒29的下端部，所述CCD摄像机8设置在金属筒29的上端部。
上述超短脉冲激光系统1为飞秒激光系统，所述飞秒激光系统包括钛宝石飞秒脉冲激光振荡器、放大器和光参量放大器，所述放大器的泵浦源为调Q-YLF倍频激光，所述激光波长为200～5000nm，激光全反镜12为相应波长的45°激光反射镜；所述的激光脉冲宽度为100ps～10fs；所述待加工光纤14包括通讯波段单模石英光纤、多模石英光纤、玻璃光纤、双包层光纤、掺杂激光介质光纤、光子晶体光纤、保偏光纤和塑料光纤；所述聚焦系统13是激光聚焦镜或投影物镜或显微物镜。
上述激光波长为800nm，激光全反镜12为800nm 45°激光反射镜，所述激光脉冲宽度为120fs，所述待加工光纤14为单模石英光纤或光子晶体光纤；所述聚焦系统13是显微物镜。
本发明具有如下优点：
1、传感灵敏度高。由于本发明的传感区有外没有加入增强机械强度的空心光纤或金属套，大大减少了降低了传感灵敏度的影响因素，使得本发明的传感灵敏度明显高于传统的光纤F-P传感器。
2、传感器与待测材料的相容性好。因为本发明的传感区以外没有加入增强机械强度的空心光纤或金属套，使传感区横截面积减小，从而传感器与待测材料的相容性好。
4、精度高。三维移动平台在X、Y、Z方向的步长分别为100nm、118nm和7nm。整个系统由计算机自动控制，系统的位置误差不超过1μm，制作的F-P腔的长宽误差可以控制在μm量级。
4、操作简便。CCD摄像机和聚焦系统的距离是可调的，待加工光纤放置在一个三维步进式精密移动平台上，便于操作人员控制。
5、实时监视。由于超短脉冲激光微加工系统的实验装置由计算机控制，可做到实时监视F-P腔的加工和定位情况。
6、与传统激光相比，飞秒激光进行材料加工能量损失小，利用率高，从而降低了材料的去除阈值；它对材料加工表面的间接损伤小，加工精度高，表面粗糙度可达亚微米级。飞秒激光材料加工另一潜在的优势在于生产一次性完成，无需后续的辅助工序和特殊的气体环境保护。
7、利用该方法制作的光纤F-P传感器的特性不随温度变化而变化。因为高功率飞秒激光脉冲仅聚焦到光纤表面，当焦点的功率密度超过材料的非线性效应阈值时，这种高强度脉冲激光与介质相互作用的非线性效应，在焦点处能够产生高温等离子体微爆，形成一个亚微米尺度结构改变(空腔)。
附图说明
图1为传统光纤F-P传感器结构示意图；其中：31-护套，32-传感区(SMF)，33-光纤端面。
图2是本发明制作光纤F-P传感器的设备示意图；其中：1-超短脉冲激光系统；2-偏振片；3-二分之一波片；4-第一45度平面反射镜；5-第四45度平面反射镜；6-反射照明光源；7-长焦距透镜；8-CCD摄像机；9-短焦距透镜；10-监视器；11-半透半反镜；12-激光全反镜；13-聚焦系统；14-待加工光纤；15-计算机；16-三维移动平台；17-透射照明光源；18-聚光镜；19-金属连接件；20-第三45度平面反射镜；21-快门；22-第二45度平面反射镜；23-挡板；29-金属筒。
图3是本发明制作光纤F-P传感器的设备的三维移动平台示意图；其中：24-透明玻璃基板；25-左光纤夹具；26-手动空心旋转台；27-右光纤夹具；19-固定板。
图4是FS激光制作的F-P传感器的照片。
图5是腔长120微米的光纤F-P传感器随波长变化的干涉光谱图。
图6是腔长120微米的光纤F-P传感器随腔长变化的温度特性图。
具体实施方式
超短脉冲激光微加工光纤F-P传感器的加工设备示意图见图2，主要包括飞秒激光系统、光束控制系统、实时监视系统和聚焦系统13(即写入光头)、三维移动平台16、快门21和计算机15及CAD控制软件。实验中使用美国光谱物理公司的MAITAI自锁模钛宝石飞秒脉冲激光器作为超短脉冲激光种子源，输出的单脉冲能量约为10nJ，脉宽为80fs。放大器为光谱物理公司的Spitfire，泵浦源为光谱物理公司的evolution调Q-YLF倍频激光，在1KHz、5mJ的激光泵浦下，输出能量800uJ，激光输出脉宽小于120fs。光束控制系统包括由偏振片2和二分之一波片3组合的能量调节元件，其中二分之一波片3为二分之一石英波片，偏振片3为偏振分光棱镜；光束控制系统的优点是可以实现能量连续可调，可保证好的光束质量，不受影响。聚焦系统13选用NA.0.4～1.4显微物镜，其作用是将通过激光全反镜12反射的超短脉冲激光聚焦在待加工光纤14上，同时将在待加工光纤14表面形貌成像在CCD摄像机8上，其中CCD摄像机8和显微物镜的距离是可调的。待加工光纤14放置在一个步进式精密三维移动平台16上，三维移动平台16可采用德国PI公司的M511、M126和M111，在X、Y、Z方向的步长分别为100nm、118nm和7nm。超短脉冲激光系统1输出的超短脉冲激光束经过第一45度平面反射镜4、再经过二分之一波片3和偏振片(偏振分光棱镜)2组合成的能量调节元件，然后超短脉冲激光束通过第二45度反射镜22，再通过计算机控制的快门21后，在通过一组提升镜(包括第三45度反射镜20和第四45度反射镜5)后入射到安装有800nm45度激光全反镜12的金属筒29之内，垂直向下反射，通过激光显微物镜聚焦到待加工光纤14上，待加工光纤14放置在计算机15控制的三维移动平台16上。CCD摄像机8安装在金属筒29的顶部，用以监视待加工光纤14的加工情况和定位。透射照明光源17通过聚光镜18聚焦到待加工光纤14上，提高照明光源。反射照明光源17经过半透半反镜11后也为待加工光纤14提供照明，其作用主要是为CCD摄像机8提供照明和检测加工外形。长焦距透镜7和短焦距透镜9共同组成一个成像系统，能够对显微物镜的焦点成像。反射照明光源6为反射照明LED光源；透射照明光源17为透射照明LED光源，半透半反镜11为可见光波段半透半反镜；偏振片2为偏振分光棱镜。
三维移动平台16包括长方形的透明玻璃基板24、手动空心旋转平台26、固定板19。待加工光纤14固定在带V型槽的左光纤夹具25和右光纤夹具27上；左光纤夹具25和右光纤夹具27固定在透明玻璃基板24上，间距大约为30mm；透明玻璃基板24通过胶水粘在手动空心旋转平台26上，手动空心旋转平台26镶嵌在固定板19上。采用透明玻璃基板24的目的是为了让透射照明光源17的光能够照亮待加工光纤14，用来监视和定位。加手动空心旋转平台26的目的是为了在加工F-P腔前，能够将待加工光纤14和三维移动平台16一个轴的移动方向调节平行，保证加工的F-P腔和光纤平行，F-P腔平行于待加工光纤14。
激光全反镜12为800nm 45°激光反射镜，但不限于800nm，可以延伸到钛宝石光参量放大器的波长200～5000nm；激光脉冲宽度为120fs，但不限与120fs，可以延伸到钛宝石放大器可以实现的输出脉冲宽度100ps到10fs；待加工光纤14包括通讯波段单模石英光纤、多模石英光纤、玻璃光纤、双包层光纤、掺杂激光介质光纤、光子晶体光纤、保偏光纤和塑料光纤。
在洁净(千级)空气条件下，计算机15控制三维移动平台16和快门21协同工作。整个系统由计算机15自动控制，位置误差不超过1μm，用VC语言程序来编程控制三维移动平台16的运动的速度、位置、加速度和快门的快关。图4是用超短脉冲激光脉冲在单模光纤制作的F-P传感器。根据实际需求，可在VC语言程序中修改数据，任意设置F-P腔的长度和宽度，制作的F-P腔长宽误差可以控制在μm量级。
通过上述方法和设备，我们制作了腔长为50μm、80μm、100μm、120μm以及200μm、宽度为25μm的光纤F-P传感器，信噪比超过10dB，所测得其随波长变化的干涉光谱见图5，所测得其随腔长变化的温度特性见图6。
本发明的工作原理：本发明是用超短脉冲激光脉冲作用在单模光纤或光子晶体光纤上，利用超短脉冲激光和介质作用的产生的非线性效应进行微加工刻槽制作F-P腔形成F-P传感器，并且利用该方法制作的光纤F-P传感器还具有其特性不随温度变化而变化的特点。因为高功率飞秒激光脉冲仅聚焦到光纤表面，当焦点的功率密度超过材料的非线性效应阈值时，这种高强度脉冲激光与介质相互作用的非线性效应，在焦点处能够产生高温等离子体微爆，形成一个亚微米尺度结构改变(空腔)。
Claims (10)
1、一种超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法，包括以下步骤：
1]准备待加工光纤：将待加工光纤(14)安装在三维移动平台(16)上；
2]产生超短脉冲激光束：由超短脉冲激光系统(1)输出一束超短脉冲激光；
3]生成激光焦点：该超短脉冲激光通过激光全反镜(12)进行反射，再通过聚焦系统(13)聚焦到待加工光纤(14)对应的在焦平面，进行F-P腔加工，生成光纤F-P传感器；
4]监视待加工光纤的加工和定位情况：将一个与超短脉冲激光系统(1)光束方向平行设置的反射照明光源(6)通过半透半反镜(11)反射到待加工光纤(14)上，设置在半透半反镜(11)透射方向的CCD摄像机(8)将加工图像和定位情况传输到监视器(10)。
2、根据权利要求1所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法，其特征在于：所述产生超短脉冲激光束的步骤还包括将该束超短脉冲激光束进行光束匀化和能量调节的步骤；所述生成激光焦点的步骤还包括控制激光束通断的步骤。
3、根据权利要求2所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法，其特征在于：所述能量调节步骤是通过二分之一波片(3)和偏振片(2)组合成的能量调节元件完成的；所述控制激光束通断的步骤是通过计算机(15)控制快门(21)来实现的。
4、根据权利要求1或2或3所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的方法，其特征在于：其还包括生成激光焦点的同时控制三维移动平台(16)移动的步骤。
5、一种超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特征在于：所述设备包括超短脉冲激光系统(1)、激光全反镜(12)、聚焦系统(13)、可设置待加工光纤(14)的三维移动平台(16)、计算机(15)以及实时监视系统，所述超短脉冲激光系统(1)设置在激光全反镜(12)的入射方向，所述聚焦系统(13)设置在激光全反镜(12)的反射方向，所述三维移动平台(16)设置在聚焦系统(13)的正下方。
6、根据权利要求5所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特征在于：其还包括光束控制系统，所述光束控制系统包括二分之一波片(3)和偏振片(2)。
7、根据权利要求6所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特征在于：所述实时监视系统包括反射照明光源(6)和透射照明光源(17)、半透半反镜(11)、CCD摄像机(8)和监视器(10)，所述反射照明光源(6)与超短脉冲激光系统(1)平行设置，所述半透半反镜(11)设置在激光全反镜(12)的正上方，所述CCD摄像机(8)设置在半透半反镜(11)的正上方；所述透射照明光源(17)设置在三维移动平台(16)下方。
8、根据权利要求5或6或7所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特征在于：其还包括金属筒(29)，所述半透半反镜(11)设置在金属筒(29)内部上方，所述激光全反镜(12)设置在金属筒(29)内部下方，所述金属筒(29)的外侧面上相应设置有可分别透过激光束和照明光源的圆孔，所述超短脉冲激光系统(1)和反射照明光源(6)平行设置在金属筒(29)的外侧，所述三维移动平台(16)设置在金属筒(29)的下端部，所述CCD摄像机(8)设置在金属筒(29)的上端部。
9、根据权利要求8所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特征在于：所述超短脉冲激光系统(1)为飞秒激光系统，所述飞秒激光系统包括钛宝石飞秒脉冲激光振荡器、放大器和光参量放大器，所述放大器的泵浦源为调Q-YLF倍频激光，所述激光波长为200～5000nm，激光全反镜(12)为相应波长的45°激光反射镜；所述的激光脉冲宽度为100ps～10fs；所述待加工光纤(14)包括通讯波段单模石英光纤、多模石英光纤、玻璃光纤、双包层光纤、掺杂激光介质光纤、光子晶体光纤、保偏光纤和塑料光纤；所述聚焦系统(13)是激光聚焦镜或投影物镜或显微物镜。
10、根据权利要求9所述的超短脉冲激光微加工制作光纤F-P传感器的设备，其特征在于：所述激光波长为800nm，激光全反镜(12)为800nm 45°激光反射镜，所述激光脉冲宽度为120fs，所述待加工光纤(14)为单模石英光纤或光子晶体光纤；所述聚焦系统(13)是显微物镜。
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