CN102107331A - 光纤定位切割方法及其装置 - Google Patents

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胡友旺
段吉安
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Abstract

本发明公开了一种光纤定位切割方法及其装置，包括激光设备、二维视觉系统和高精度光纤运动平台。高精度光纤运动平台包括光纤固定夹具、精密运动平台和控制系统，夹具紧固在高精度光纤运动平台上。利用平移台运动控制系统精确控制平移台运动，带动光纤移动，并通过视觉系统实现光纤切割点的精确定位，然后将激光聚焦于光纤边缘，实现精确切割。该方法具有重复性高，端面清洁的优点，并可实现微米级精度光纤的定点和定长切割，而且它不但可以切割去除涂覆层的光纤，还可以切割未去除涂覆层的光纤。

Description

光纤定位切割方法及其装置
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种高精度光纤定位切割方法及其装置。
背景技术
随着光纤通信和光纤传感技术的发展，对光纤延迟线和微型光纤传感器等光纤器件制作过程中光纤切割精度的要求越来越高，因此光纤的高精度定位切割已成为光纤器件制作过程中的一项关键技术。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种光纤定位切割方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种重复性高，端面清洁，能实现μm-mm量级精度光纤的定点和定长切割，能切割去除涂覆层的光纤，还能切割有涂覆层的光纤的光纤定位切割装置。
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的光纤定位切割方法，步骤如下：
(1)启动一激光设备，以高能短脉冲方式发出光束，并由聚焦系统聚焦，产生电离光斑；
(2)使激光电离斑清晰成像于二维视觉系统中，进行位置标定；
(3)将待切割光纤安置在有预拉应力装置的精密运动平台夹具上，调节预拉应力装置，使光纤具有一定的预拉应力；
(4)根据二维视觉监测系统的反馈信息，通过控制五维精密运动平台的移动，使光纤轴向与光束垂直，并将光纤欲切割位置的边缘运动到激光能量作用范围内；
(5)光纤切割位置的边缘受到激光烧蚀作用产生破坏，在预拉应力的作用下，光纤在破坏点处断开。
为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的实现光纤定位切割方法的装置，包括激光设备、二维视觉系统和高精度光纤运动平台，所述的二维视觉系统由水平运动视觉监测系统、竖直运动视觉监测系统及照明光源构成，高精度光纤运动平台包括有预拉应力光纤固定夹具、五维精密运动平台和平移台运动控制系统，所述的预拉应力光纤固定夹具紧固在所述的五维精密运动平台上，所述的五维精密运动平台与所述的平移台运动控制系统控制连接，所述的二维视觉系统与所述的预拉应力光纤固定夹具上固定的光纤进行对应定位安装，所述的激光设备的激光束与所述的二维视觉系统中的其中一个同轴安装作用于所述的预拉应力光纤固定夹具上固定的光纤。
所述的激光设备由短脉冲激光器、反射镜、二相色镜、光衰减器和聚焦系统依次安装组成。
所述的水平运动视觉监测系统由第一CCD连接有第一监视器和设在所述的第一CCD前的第一透镜组成，所述的竖直运动视觉监测系统由第二CCD连接有第二监视器和设在所述的第二CCD前的第二透镜组成。
所述的拉应力光纤固定夹具的结构是在夹具框架上设有导轨，所述的导轨上设有自由滑块和滑块，所述的滑块与所述的夹具框架设有调节螺杆，所述的自由滑块与所述的滑块之间连接有弹簧，所述的自由滑块上设有将所述的自由滑块紧固于所述的导轨上的紧固螺母，所述的夹具框架上设有刻度标尺，所述的夹具框架上设有第一V型槽、第四V型槽和第一磁性吸附盖板、所述的自由滑块上设有第二V型槽、第五V型槽和第二磁性吸附盖板，所述的滑块上设有第三V型槽、第六V型槽和第三磁性吸附盖板，所述的第一V型槽、第二V型槽和第三V型槽的宽度均为80μm，所述的第四V型槽、第五V型槽和第六V型槽宽度均为125μm。
采用上述技术方案的光纤定位切割方法及其装置，激光设备的短脉冲激光器发出的高能短脉冲光束经45°全反射镜和二相色镜转折后经过光衰减器衰减后由聚焦系统完成聚焦。激光电离斑在二维视觉系统标定过程中，水平运动视觉监测系统是利用第一透镜的聚焦作用使电离斑清晰成像于第一CCD中，图像在第一监视器中显示，并完成水平位置标定。竖直运动视觉监测系统是利用第二透镜的聚焦作用使电离斑清晰成像于第二CCD中，图像在第二监视器中实时显示，并完成竖直位置标定。光纤向电离斑位置运动过程中可采用两种方式，其一为高能短脉冲激光始终处于开启状态，光纤待切割位置运动到激光能量作用范围内后边缘自动被烧蚀破坏，在光纤应力作用下，光纤沿破坏处断开。另一种方式为高能短脉冲激光在电离位置标定后被关闭，等到待切割光纤运动到激光能量作用范围而静止后再启动激光，光纤待切割位置边缘被激光烧蚀破坏，在光纤应力作用下，光纤沿破坏处断开。光纤为任意类型的光纤，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。
本发明的优点：
利用本发明所提供的光纤定位切割方法和装置进行光纤切割时，具有以下优点：
1、可实现微米级精度光纤的定点和定长切割，为精密通信和传感器件的制造提供一种精密加工方法。
2、端面清洁，可靠性性高。利用激光去除方法在光纤边缘产生缺陷，灰尘少，切割端面不易被沾污。
3、它不但可以切割去除涂覆层的光纤，还可以切割未去除涂覆层的光纤，克服传统切割刀只能切割去除涂覆层光纤的缺点。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明的拉应力光纤固定夹具结构示意图；
图3是本发明的拉应力光纤固定夹具局部放大示意图；
图4是去除涂覆层的标准单模光纤的切割端面测试图；
图5是有涂覆层的标准单模光纤的切割端面测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步说明。
参见图1、图2和图3，实现光纤定位切割方法的装置，包括激光设备、二维视觉系统和高精度光纤运动平台，二维视觉系统由水平运动视觉监测系统28、竖直运动视觉监测系统29及照明光源7构成，高精度光纤运动平台包括有预拉应力光纤固定夹具14、五维精密运动平台15和平移台运动控制系统16，预拉应力光纤固定夹具14紧固在五维精密运动平台15上，五维精密运动平台15与平移台运动控制系统16控制连接，二维视觉系统与预拉应力光纤固定夹具14上固定的光纤进行对应定位安装，激光设备的激光束与二维视觉系统中的其中一个同轴安装作用于预拉应力光纤固定夹具14上固定的光纤。激光设备由短脉冲激光器1、反射镜2、二相色镜3、光衰减器4和聚焦系统5依次安装组成。
水平运动视觉监测系统28由第一CCD 9连接有第一监视器10和设在第一CCD 9前的第一透镜8组成，竖直运动视觉监测系统29由第二CCD 12连接有第二监视器13和设有第二CCD 12前的第二透镜11组成。
拉应力光纤固定夹具14的结构是在夹具框架17上设有导轨23，导轨23上设有自由滑块21和滑块22，滑块22与夹具框架17之间设有调节螺杆24，自由滑块21与滑块22之间连接有弹簧25，自由滑块21上设有将自由滑块21紧固于导轨23上的紧固螺母26，夹具框架17上设有刻度标尺27，夹具框架17上设有第一V型槽181、第四V型槽191和第一磁性吸附盖板201，自由滑块21上设有第二V型槽182、第五V型槽192和第二磁性吸附盖板202，滑块22上设有第三V型槽183、第六V型槽193和第三磁性吸附盖板203，第一V型槽181、第二V型槽182和第三V型槽183的宽度均为80m，第四V型槽191、第五V型槽192和第六V型槽193宽度均为125m。
参见图1、图2和图3，激光设备的短脉冲激光器发出的高能短脉冲光束经45°全反射镜和二相色镜转折后经过光衰减器衰减后由聚焦系统完成聚焦。激光电离斑在二维视觉系统标定过程中，水平运动视觉监测系统是利用第一透镜8的聚焦作用使电离斑清晰成像于第一CCD9中，图像在第一监视器10中显示，并完成水平位置标定。竖直运动视觉监测系统是利用第二透镜11的聚焦作用使电离斑清晰成像于第二CCD12中，图像在第二监视器13中实时显示，并完成竖直位置标定。
平移台运动监测过程中，水平运动视觉监测系统是利用第一透镜8的聚焦作用使光纤6成像于第一CCD9中，图像在第一监视器10中实时显示。竖直运动视觉监测系统是利用第二透镜11的聚焦作用使光纤6成像于第二CCD12中，图像在第二监视器13中实时显示。光源7对水平运动视觉监测系统和竖直运动视觉监测系统的贡献是使光纤6能够清晰成像于第一CCD 9和第二CCD 12中。
将待切割的光纤6安置在精密运动平台的拉应力光纤固定夹具14的过程中，首先将光纤两端分别置于夹具框架17上的第一V型槽181、第二V型槽182或第四V型槽191、第五V型槽192内，利用第一磁性吸附盖板201、第二磁性吸附盖板202将光纤固定。
拉应力光纤固定夹具14包括夹具框架17、导轨23、自由滑块21、滑块22、调节螺杆24、紧固螺母26和弹簧25。自由滑块21和滑块22可在夹具框架17的导轨23上自由滑动，调节螺杆24与滑块22装配在一起，旋转调节螺杆24控制滑块22在导轨23上运动，使光纤中存在预拉应力，预拉应力的大小可根据弹簧25的伸缩量确定，伸缩量大小可根据夹具框架17上刻度标尺27的示数确定。当预拉应力施加后可将紧固螺母26旋紧，固定自由滑块21，以防止光纤切割后弹簧反弹。光纤一端置第三V型槽183或第六V型槽193内，盖上第三磁性吸附盖板203，完成光纤施加预拉应力的安装。其中，第一V型槽181、第四V型槽191刻制在夹具框架17上，第二V型槽182、第五V型槽192刻制在自由滑块21上，第三V型槽183、第六V型槽193刻制在滑块22上。第一V型槽181、第二V型槽182、第三V型槽183其宽度为80m，第四V型槽191、第五V型槽192、第六V型槽193宽度为125m，可根据不同直径类型的光纤确定放入不同组的V型槽内。
实施例1：去除涂覆层的标准单模光纤的切割。
光纤定位切割装置如图1、图2和图3所示，实验中使用的激光设备为newport光谱物理公司的飞秒激光放大系统，脉冲峰值能量为2W，脉冲宽度为50fs，中心波长为800nm。光纤运动平台为newport公司的850G型运动平移台，其运动分辨率为0.05μm。
具体实施步骤为：
1、启动短脉冲激光器1，短脉冲激光器1以高能短脉冲方式发出光束，并由聚焦系统5聚焦；
2、使激光电离斑清晰成像于二维视觉系统的竖直运动视觉监测系统29和水平运动视觉监测系统28中，进行水平和竖直位置标定；
3、将去除涂覆层的待切割的光纤6两端分别置于夹具框架17上的第一V型槽181、自由滑块21上的第二V型槽182内，利用第一磁性吸附盖板201、第二磁性吸附盖板202将光纤固定。旋转调节螺杆24控制滑块22在导轨23上运动，使光纤中存在100MPa预拉应力，预拉应力的大小可根据弹簧25的伸缩量确定，伸缩量大小可根据夹具框架17上刻度标尺27的示数确定。当预拉应力施加后可将紧固螺母26旋紧，固定自由滑块21，以防止光纤切割后弹簧25反弹。光纤一端置于滑块22上的第三V型槽183内，盖上第三磁性吸附盖板203，完成光纤施加预拉应力的安装。
4、根据二维视觉监测系统的水平运动视觉监测系统28和竖直运动视觉监测系统29反馈的光纤待切割位置信息，通过平移台运动控制系统16控制五维精密运动平台15的移动，使光纤轴向与光束垂直，并将光纤6的欲切割位置向激光能量作用范围内运动；
5、光纤6的切割位置的边缘进入到激光能量作用范围内后，受到激光烧蚀作用产生破坏，在预拉应力的作用下，光纤6在破坏点处断开。
利用本发明的方法和装置切割的去除涂覆层的标准单模光纤的端面显微镜测试图如图4所示，定位切割精度为μm级。
实施例2：有涂覆层的标准单模光纤的切割。
光纤定位切割装置如图1、图2和图3所示，主要包括激光设备、二维视觉系统和高精度光纤运动平台。实验中使用的激光设备为newport光谱物理公司的飞秒激光放大系统，脉冲峰值能量为2W，脉冲宽度为50fs，中心波长为800nm。光纤运动平台为newport公司的850G型运动平移台，其运动分辨率为0.05μm。
具体实施步骤为：
1、启动短脉冲激光器1，短脉冲激光器1以高能短脉冲方式发出光束，并由聚焦系统5聚焦；
2、使激光电离斑清晰成像于二维视觉系统的水平运动视觉监测系统28和竖直运动视觉监测系统29中，进行水平和竖直位置标定，使短脉冲激光器1的输出关闭；
3、将待切割的光纤6两端分别置于夹具框架17上的第四V型槽191、自由滑块21上的第五V型槽192内，利用第一磁性吸附盖板201、第二磁性吸附盖板202将光纤6固定。旋转调节螺杆24控制滑块22在导轨23上运动，使光纤6中存在200MPa预拉应力，预拉应力的大小可根据弹簧25的伸缩量确定，伸缩量大小可根据夹具框架17上刻度标尺27的示数确定。当预拉应力施加后可将紧固螺母26旋紧，固定自由滑块21，以防止光纤6切割后弹簧25反弹。光纤一端置于滑块22上的第六V型槽193内，盖上第三磁性吸附盖板203，完成光纤6施加预拉应力的安装。
4、根据二维视觉监测系统反馈的光纤待切割位置信息，通过平移台运动控制系统16控制五维精密运动平台15的移动，使光纤轴向与光束垂直，并将光纤欲切割位置运动到激光能量作用范围内，然后静止；
5、启动激光设备的水平运动视觉监测系统28的激光输出，光纤6切割位置的边缘受到激光烧蚀作用产生破坏，在预拉应力的作用下，光纤6在破坏点处断开。
利用本发明的方法和装置切割的有涂覆层的标准单模光纤的端面显微镜测试图如附图5所示，定位切割精度为μm级。

Claims (8)

1.一种光纤定位切割方法，步骤如下：
(1)启动一激光设备，以高能短脉冲方式发出光束，并由聚焦系统聚焦，产生电离光斑；
(2)使激光电离斑清晰成像于二维视觉系统中，进行位置标定；
(3)将待切割光纤安置在有预拉应力装置的精密运动平台夹具上，调节预拉应力装置，使光纤具有一定的预拉应力；
(4)根据二维视觉监测系统的反馈信息，通过控制五维精密运动平台的移动，使光纤轴向与光束垂直，并将光纤欲切割位置的边缘运动到激光能量作用范围内；
(5)光纤切割位置的边缘受到激光烧蚀作用产生破坏，在预拉应力的作用下，光纤在破坏点处断开。
2.实现权利要求1所述的光纤定位切割方法的装置，其特征在于：包括激光设备、二维视觉系统和高精度光纤运动平台，所述的二维视觉系统由水平运动视觉监测系统(28)、竖直运动视觉监测系统(29)及照明光源(7)构成，高精度光纤运动平台包括有预拉应力光纤固定夹具(14)、五维精密运动平台(15)和平移台运动控制系统(16)，所述的预拉应力光纤固定夹具(14)紧固在所述的五维精密运动平台(15)上，所述的五维精密运动平台(15)与所述的平移台运动控制系统(16)控制连接，所述的二维视觉系统与所述的预拉应力光纤固定夹具(14)上固定的光纤进行对应定位安装，所述的激光设备的激光束与所述的二维视觉系统中的其中一个同轴安装并作用于所述的预拉应力光纤固定夹具(14)上固定的光纤。
3.根据权利要求2所述的实现光纤定位切割方法的装置，其特征在于：所述的激光设备由短脉冲激光器(1)、反射镜(2)、二相色镜(3)、光衰减器(4)和聚焦系统(5)依次安装组成。
4.根据权利要求2或3所述的实现光纤定位切割方法的装置，其特征在于：所述的水平运动视觉监测系统(28)由第一CCD(9)连接有第一监视器(10)和设在所述的第一CCD(9)前的第一透镜(8)组成，所述的竖直运动视觉监测系统(29)由第二CCD(12)连接有第二监视器(13)和设在所述的第二CCD(12)前的第二透镜(11)组成。
5.根据权利要求2或3所述的实现光纤定位切割方法的装置，其特征在于：所述的拉应力光纤固定夹具(14)的结构是在夹具框架(17)上设有导轨(23)，所述的导轨23上设有自由滑块(21)和滑块(22)，所述的滑块(22)与所述的夹具框架(17)之间设有调节螺杆(24)，所述的自由滑块(21)与所述的滑块(22)之间连接有弹簧(25)，所述的自由滑块(21)上设有将所述的自由滑块(21)紧固于所述的导轨(23)上的紧固螺母(26)，所述的夹具框架(17)上设有刻度标尺(27)，所述的夹具框架(17)上设有第一V型槽(181)和第一磁性吸附盖板(201)、所述的自由滑块(21)上设有第二V型槽(182)和第二磁性吸附盖板(202)，所述的滑块(22)上设有第三V型槽(183)和第三磁性吸附盖板(203)。
6.根据权利要求5所述的实现光纤定位切割方法的装置，其特征在于：所述的第一V型槽(181)、第二V型槽(182)和第三V型槽(183)的宽度均为80μm。
7.根据权利要求5或6所述的实现光纤定位切割方法的装置，其特征在于：所述的夹具框架(17)上设有第四V型槽(191)、所述的自由滑块(21)上设有第五V型槽(192)，所述的滑块(22)上设有第六V型槽(193)。
8.根据权利要求7所述的实现光纤定位切割方法的装置，其特征在于：所述的第四V型槽(191)、第五V型槽(192)和第六V型槽(193)宽度均为125μm。
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