CN103197380B - 一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法。通过光纤拉锥技术，将单模光纤的直径拉细至小于40μm的范围内。然后将拉锥后的单模光纤准确地放入光纤熔接机的V型槽中，同时使光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域。接着利用光纤熔接机对光纤拉锥部分进行加热以烧制，同时均匀旋转光纤，直至拉锥光纤的端头熔化成高质量的微探球。在光纤烧制过程中，基于田口法合理设置光纤熔接机的过程控制参数，旋转光纤使其克服重力带来的影响，从而在拉锥光纤的端部得到一球径小、球度好、偏心小的微探球，该微探球与拉锥光纤构成了接触式光纤微探头。

Description

一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法

技术领域

本发明涉及光纤探头制备方法领域，具体为一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法。

背景技术

随着微加工技术的发展，MEMS器件、超精密机械零件、高精度光学元件的应用越来越广泛，对其三维轮廓的准确测量越来紧迫。由于这些器件的结构具有横向尺寸小但深宽比大、加工精度高的特点，因此需要研究开发能够对这些器件三维轮廓进行精密测量的微纳米三坐标测量机及其相关技术，其中包括具有微探球的接触式微探头的制备方法和制备技术。

现有的微纳米三坐标测量机的测头一般分为接触式、非接触式及基于新工作原理/技术的其他形式的测头。其中接触式微探头的应用最广泛，它的研制也一直受到国内外的广泛关注。接触式微探头通过探头和试样的直接接触，采集试样表面的三维坐标点来获得试样的三维形貌信息。常用于制作微纳米三坐标测量机接触式微探头的材料通常有红宝石、钨及碳化钨等。红宝石探头直径太大，探球直径一般大于300μm，而由钨材料制备的微探头质量差且易氧化，而直接用光纤烧制的微探头的探球直径也大于300μm。现有的加工方法制备出的微探头，存在体积较大、制备方法复杂、成本较高等缺点，即不能满足三维微纳米测量技术的需要，也不利于大批量的生产。因此，急需发明一种可用于微纳米三维测量仪器的、并具有微探球直径小、制作成本低廉的接触式微探头制备方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：选用单模光纤材料制备接触式光纤微探头，首先采用光纤拉锥技术将单模光纤拉细，然后将拉锥后的单模光纤准确地放入光纤熔接机的V型定位槽中，使拉锥后的单模光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，利用光纤熔接机的电火花放电对拉锥后的单模光纤被拉锥部分进行初步烧制和优化烧制，整个烧制过程中使拉锥后的单模光纤旋转，以克服重力带来的影响，从而在拉锥后的单模光纤端部得到球径小、球度好、偏心小的微探球，由微探球与拉锥后的单模光纤构成接触式光纤微探头，初步烧制和优化烧制的同时，基于田口法合理配置光纤熔接机初步烧制和优化过程的过程控制参数。

所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：采用光纤拉锥技术将单模光纤拉细的过程如下：将一对除去涂覆层的单模光纤分别置于两移动平台上，两移动平台可相向或反向滑动。首先令两移动平台相向滑动，使两根单模光纤相互靠拢至两光纤端头接触，然后采用酒精灯使两根单模光纤熔融为一体，接着使两移动平台分别带动对应的单模光纤向相反方向快速移动，使熔融后的单模光纤被拉伸，在相互熔融的部分形成双锥体结构，从而使得光纤直径变细。

所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：拉锥后的单模光纤直径拉细至小于40μm的范围内，使得最后获得的接触式光纤微探头的微球球径数值小于拉锥前单模光纤直径数值。

所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：采用微动三维平台、旋转光纤夹具，拉锥后的单模光纤由旋转光纤夹具夹持固定，利用微动三维平台将夹持有拉锥后的单模光纤的旋转光纤夹具准确放入光纤熔接机的V型定位槽中，然后通过光纤熔接机自带的成像装置找准拉锥后的单模光纤位置，并根据拉锥后的单模光纤在V型定位槽中的位置将光纤熔接机的放电电极放置在合适的位置，使拉锥后的单模光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，最后利用光纤熔接机的放电电极电火花放电对拉锥后的单模光纤进行初步烧制和优化烧制。

所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：初步烧制过程中，利用旋转光纤夹具带动拉锥后的单模光纤按照固定的角度和方向周期旋转，使初步制备出的接触式光纤微探头具有较理想的二维直径和较好的二维圆度；优化烧制过程中，利用旋转光纤夹具带动初步制备出的接触式光纤微探头旋转一定的角度θ，以补偿初步制备中出现的接触式光纤微探头偏心问题，最终在拉锥后的单模光纤端部得到球径小、球度好、偏心小的微探球，由微探球与拉锥后的单模光纤构成接触式光纤微探头；整个烧制过程中，基于田口法合理配置的过程控制参数为光纤锥角处理方式、光纤端面距离放电电极中心线的距离、初步烧制和优化烧制两个阶段的放电电流强度、初步烧制和优化烧制两个阶段的放电时间和两个阶段的烧结次数，各过程控制参数的水平数是根据烧制光纤微探头的经验选取的典型数值，在田口法中，针对不同的光纤微探头评价参数，利用信噪比分析和方差分析来确定各过程控制参数的最优组合条件和各过程控制参数对于评价参数影响的显著度。

本发明采用光纤拉锥技术将光纤拉细；再在商用光纤熔接机的基础上，增加了微动三维平台和旋转光纤夹具，将拉锥后的单模光纤通过微动三维平台和旋转夹具，准确地放入光纤熔接机的V型定位槽中；通过合理设置烧制参数，经过初步烧制过程和优化烧制过程两个阶段，获得了具有较小球径微球的接触式光纤微探头。本发明制备简单，成本低廉，所制备的接触式微探头的微探球直径小，可作为微纳米三坐标测量机等三维几何量测量仪器制备接触式三维探头，能提高微纳米三坐标测量机等三维测量仪器对微小尺寸的测量能力，使这些仪器可实现高深宽比微结构的超精密机械零件、MEMS器件、超精密光学元件的真三维形貌测量。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用光纤拉锥技术和商用光纤熔接机，在光纤端面上烧制出球径小、球度好、偏心小的接触式光纤微探头。该方法制备简单，成本低廉，所制备的微探头可为微纳米三坐标测量机等三维几何量测量仪器制备接触式三维探头，使这些仪器可实现高深宽比微结构的超精密机械零件、MEMS器件、超精密光学元件的真三维形貌测量。

2、本发明经测量验证，所制备的接触式光纤微探头具有球径小和表面形貌光滑的特点。其中微探头的二维截面直径小于80μm、二维圆度小于1μm、微探球与探杆之间的二维偏心距小于1μm。

附图说明

图1是本发明中自制光纤拉锥系统的简化原理图。

图2是本发明中制备接触式光纤微探头的实验装置图。

图3是本发明中制备出的一个接触式光纤微探头在显微镜下的示意图。

图4为制备出的接触式光纤微探头在显微镜下不同角度截面二维直径示意表图。

图5为制备出的接触式光纤微探头在显微镜下不同角度截面二维圆度示意表图。

图6为制备出的接触式光纤微探头在显微镜下不同角度截面二维偏心距示意表图。

具体实施方式

一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，选用单模光纤材料制备接触式光纤微探头，首先采用光纤拉锥技术将单模光纤拉细，然后将拉锥后的单模光纤准确地放入光纤熔接机的V型定位槽中，使拉锥后的单模光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，利用光纤熔接机的电火花放电对拉锥后的单模光纤被拉锥部分进行初步烧制和优化烧制，整个烧制过程中使拉锥后的单模光纤旋转，以克服重力带来的影响，从而在拉锥后的单模光纤端部得到球径小、球度好、偏心小的微探球，由微探球与拉锥后的单模光纤构成接触式光纤微探头，初步烧制和优化烧制的同时，基于田口法合理配置光纤熔接机初步烧制和优化过程的过程控制参数。

采用光纤拉锥技术将单模光纤拉细的过程如下：将一对除去涂覆层的单模光纤分别置于两移动平台上，两移动平台可相向或反向滑动，首先令两移动平台相向滑动，使两根单模光纤相互靠拢至两光纤端头接触，然后采用酒精灯使两根单模光纤熔融为一体，接着使两移动平台分别带动对应的单模光纤向相反方向快速移动，使熔融后的单模光纤被拉伸，在相互熔融的部分形成双锥体结构，从而使得光纤直径变细。

拉锥后的单模光纤直径拉细至小于40μm的范围内，使得最后获得的接触式光纤微探头的微球球径数值小于拉锥前单模光纤直径数值。

采用微动三维平台、旋转光纤夹具，拉锥后的单模光纤由旋转光纤夹具夹持固定，利用微动三维平台将夹持有拉锥后的单模光纤的旋转光纤夹具准确放入光纤熔接机的V型定位槽中，然后通过光纤熔接机自带的成像装置找准拉锥后的单模光纤位置，并根据拉锥后的单模光纤在V型定位槽中的位置将光纤熔接机的放电电极放置在合适的位置，使拉锥后的单模光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，最后利用光纤熔接机的放电电极电火花放电对拉锥后的单模光纤进行初步烧制和优化烧制。

初步烧制过程中，利用旋转光纤夹具带动拉锥后的单模光纤按照固定的角度和方向周期旋转，使初步制备出的接触式光纤微探头具有较理想的二维直径和较好的二维圆度；优化烧制过程中，利用旋转光纤夹具带动初步制备出的接触式光纤微探头旋转一定的角度θ，以补偿初步制备中出现的接触式光纤微探头偏心问题，最终在拉锥后的单模光纤端部得到球径小、球度好、偏心小的微探球，由微探球与拉锥后的单模光纤构成接触式光纤微探头；整个烧制过程中，基于田口法合理配置的过程控制参数为光纤锥角处理方式、光纤端面距离放电电极中心线的距离、初步烧制和优化烧制两个阶段的放电电流强度、初步烧制和优化烧制两个阶段的放电时间和两个阶段的烧结次数。各过程控制参数的水平数是根据烧制光纤微探头的经验选取的典型数值。在田口法中，针对不同的光纤微探头评价参数（二维直径、圆度和偏心距），利用信噪比（S/N）分析和方差分析来确定各过程控制参数的最优组合条件和各过程控制参数对于评价参数影响的显著度。

例如：针对光纤微探头的二维直径，获得最小二维直径的过程控制参数的水平数组合方案是光纤锥角处理方式为去除锥角，光纤端面距离放电电极中心线的距离为130unit, 初步烧制和优化烧制两个阶段的放电电流强度分别为3mA和1.5mA，初步烧制和优化烧制两个阶段的放电时间同为0.5s，初步烧制和优化烧制两个阶段的烧结次数分别为4次和3次。其中初步烧制中的放电电流强度对于光纤微探头二维直径的影响最为显著。

如图1所示。图1所示的实施例中，利用自制的光纤拉锥系统获得直径更细的光纤。利用光纤夹具2先将两根除去涂覆层的单模光纤1对其固定，移动平台4将两根单模光纤以一定的方式靠拢，点燃酒精灯3使两根单模光纤熔融,此时移动平台4带动熔融的单模光纤向反方向快速移动拉伸，从而形成双锥体结构，使得光纤直径变细。对拉锥后的单模光纤的端面进行处理后，即可进行接触式光纤微探球的制备。

如图2所示。在图2所示的实施例中，该装置在商用光纤熔接机的基础上，增加了微动三维平台5、旋转光纤夹具6。旋转光纤夹具6对拉锥后的单模光纤7进行夹持固定后，利用微动三维平台5将光纤准确地放入光纤熔接机的V型定位槽8中，通过光纤熔接机自带的成像装置找准光纤与放电电极9的位置，合理设置过程控制参数，盖下压板进行光纤微探球的烧制。每次烧制后，打开压板，让光纤旋转一定的角度，然后继续进行烧制。如此进行多次烧制，直到获得质量较好的光纤微探球。

如图3所示。在图3所示的实施例中，利用田口法(Taguchi method)合理地配置烧制过程控制参数，获得一球径小、球度好、偏心小的接触式光纤微探头。

评定烧制光纤微探头质量的方法：

由于烧制的光纤微探球很小，受限于分辨率等原因，传统的测量球度方法不能应用。为了评价烧制探球的质量，我们利用光学显微镜对旋转不同角度的光纤微探球进行二维的图像采集，然后对其进行图像处理，得到微探球的二维直径、二维圆度和二维偏心距，进而利用这些参数参数来评价烧制的接触式光纤微探球质量的好坏。

如图4所示。图4所示为以二维直径为评定参数，根据田口法(Taguchi method）进行过程控制参数优化组合后，得到的光纤微探球不同角度截面二维直径的数据结果。其中二维直径拟合采用最小二乘法。结果显示不同截面的二维直径约为65μm。

如图5所示。图5所示为以二维圆度为评定参数，根据田口法(Taguchi method）进行过程控制参数优化组合后，得到的光纤微探球不同角度截面二维圆度的数据结果。其中二维圆度拟合同样采用最小二乘法。结果显示不同截面的二维圆度数值在0.6μm-0.7μm之间。

如图6所示。图6所示为以二维偏心距为评定参数，根据田口法(Taguchi method）进行过程控制参数优化组合后，得到的光纤微探球不同角度截面二维偏心距的数据结果。其中二维偏心距的拟合采用最小二乘法和最小包容区域法。结果显示不同截面的二维偏心距，通过不同拟合方法得到的二维偏心距数值在0.43μm-0.65μm。

本发明不仅方法简单，成本低廉，所制备的微探头可为微纳米三坐标测量机等三维几何量测量仪器制备接触式三维探头，使这些仪器可实现高深宽比微结构的超精密机械零件、MEMS器件、超精密光学元件的真三维形貌测量。综合考虑二维直径、圆度和偏心距3个光纤微探球评价参数，合理配置烧制过程参数，可以得到二维截面直径小于80μm、二维圆度小于1μm、微探球与探杆之间的二维偏心距小于1μm的接触式光纤微探头。

Claims (4)

1.一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：选用单模光纤材料制备接触式光纤微探头，首先采用光纤拉锥技术将单模光纤拉细，然后将拉锥后的单模光纤准确地放入光纤熔接机的V型定位槽中，使拉锥后的单模光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，利用光纤熔接机的电火花放电对拉锥后的单模光纤被拉锥部分进行初步烧制和优化烧制，整个烧制过程中使拉锥后的单模光纤旋转，以克服重力带来的影响，从而在拉锥后的单模光纤端部得到球径小、球度好、偏心小的微探球，由微探球与拉锥后的单模光纤构成接触式光纤微探头，初步烧制和优化烧制的同时，基于田口法合理配置光纤熔接机初步烧制和优化过程的过程控制参数；

采用光纤拉锥技术将单模光纤拉细的过程如下：将一对除去涂覆层的单模光纤分别置于两移动平台上，两移动平台可相向或反向滑动；

首先令两移动平台相向滑动，使两根单模光纤相互靠拢至两光纤端头接触，然后采用酒精灯使两根单模光纤熔融为一体，接着使两移动平台分别带动对应的单模光纤向相反方向快速移动，使熔融后的单模光纤被拉伸，在相互熔融的部分形成双锥体结构，从而使得光纤直径变细。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：拉锥后的单模光纤直径拉细至小于40μm的范围内，使得最后获得的接触式光纤微探头的微球球径数值小于拉锥前单模光纤直径数值。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：采用微动三维平台、旋转光纤夹具，拉锥后的单模光纤由旋转光纤夹具夹持固定，利用微动三维平台将夹持有拉锥后的单模光纤的旋转光纤夹具准确放入光纤熔接机的V型定位槽中，然后通过光纤熔接机自带的成像装置找准拉锥后的单模光纤位置，并根据拉锥后的单模光纤在V型定位槽中的位置将光纤熔接机的放电电极放置在合适的位置，使拉锥后的单模光纤被拉锥部分置于光纤熔接机的放电区域内，最后利用光纤熔接机的放电电极电火花放电对拉锥后的单模光纤进行初步烧制和优化烧制。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于光纤拉锥技术的接触式光纤微探头的制备方法，其特征在于：初步烧制过程中，利用旋转光纤夹具带动拉锥后的单模光纤按照固定的角度和方向周期旋转，使初步制备出的接触式光纤微探头具有较理想的二维直径和较好的二维圆度；优化烧制过程中，利用旋转光纤夹具带动初步制备出的接触式光纤微探头旋转一定的角度θ，以补偿初步制备中出现的接触式光纤微探头偏心问题，最终在拉锥后的单模光纤端部得到球径小、球度好、偏心小的微探球，由微探球与拉锥后的单模光纤构成接触式光纤微探头；整个烧制过程中，基于田口法合理配置的过程控制参数为光纤锥角处理方式、光纤端面距离放电电极中心线的距离、初步烧制和优化烧制两个阶段的放电电流强度、初步烧制和优化烧制两个阶段的放电时间和两个阶段的烧结次数，各过程控制参数的水平数是根据烧制光纤微探头的经验选取的典型数值，在田口法中，针对不同的光纤微探头评价参数，利用信噪比分析和方差分析来确定各过程控制参数的最优组合条件和各过程控制参数对于评价参数影响的显著度。