CN103831681A - 多功能光纤端面光学加工微型机床 - Google Patents

Abstract

一种多功能光纤端面光学加工微型机床，包括主机底座、设置在主机底座上部一端的主轴动力箱，可回转床身导轨通过回转轴与主机底座连接；该多功能光纤端面光学加工微型机床至少由五个自由度（x、y、ωx、ωz、ωx0）的机械装置构成。该微型机床是一种多用途的光纤端面光学加工设备，其能在大锥角状态下工作，它可用于加工光纤端平面、圆锥面、球面及斜面的微型光学元件，同时它可用于光纤切断，光纤端面粗磨成型，精磨修整，研磨抛光等多道工序的光学加工。

Description

多功能光纤端面光学加工微型机床

技术领域

    本发明涉及光纤端面光学加工的技术领域，特别是涉及一种多功能光纤端面光学加工微型机床。 

背景技术

20世纪80年代初出现了扫描进场光学显微镜（SNOM），它在物理学、化学、材料科学、光学微加工及光谱测量等诸多领域得到了广泛应用。当时在SNOM上使用的传感是将光纤用氢氟酸腐蚀和加热拉伸方法制备成的光纤探针。此后各种用化学腐蚀，加热拉伸制备光纤探针的方法得到了很大的发展。

归纳起来，目前制备光纤探针的典型方法是，热拉伸方法：将一对光纤装卡器装在五维调节架上，调节激光束对光纤的垂直性及两个光纤装卡器的同轴度，装在光纤卡器外端的两个直流电机用同一个电流源驱动，以确保两端的拉力相同。

选择Φ125Um单模通讯光纤用乙醇擦拭处理，将其装卡在两个光纤装卡器上，保持间距为10-15mm。控制直流电机的电流为0.4-0.5A，使光纤获得一定的轴向拉力。将激光出摄方向调节到稍高于光纤。调节激光预定输出功率（5-6W）。缓慢降低光束的高度，光班逐渐靠近光纤。当光纤出现三个亮点时，将光束反向调节，光束偏离光纤，光纤得到冷却。按60-90秒时间内升降激光束10-15次的加热速度，重复上述过程直到光纤被拉断，光纤探针形成。

    用热拉伸法制备光纤探针，重复性相当低，通过调整参数，将得到的光纤探针再在40％氢氟酸中进行快速腐蚀，得到双曲线形光纤探针约占50％，锥角在30-60度的锥形光纤探针约占10％.能满足一般应用目的分辨率要求。

变温腐蚀法：将40％浓度的氢氟酸腐蚀液注入透明的塑料管中，同时将比重较小的异辛烷注入管中，在腐蚀液上方形成3mm厚的密封层，防止腐蚀液挥发。塑料管置放于温度可调的恒温水浴中，选择Φ125um的单模光纤，经三氯乙烯浸泡处理，使光纤一端形成10mm长的裸露段。用五维调节架固定光纤，同时使光纤裸露段垂直插入腐蚀液中，插入深度约为5mm。裸光纤在20℃腐蚀10min后迅速换成40℃腐蚀55min，即获得圆锥型光纤探针，探针最大的锥角可达到74℃。将该探针用于扫描全息光栅（500线/mm）获得的样品图像分辨率与全息光栅的标定结果相符。

    自SNOM的应用深入发展以来，研究人员对光纤探针的多种制备方法进行了研究，以期获得大锥角，高透光率，高分辨率光纤探针的制备方法。化学腐蚀法，加热拉伸法制备的光纤探针在锥角方面达到了74℃，虽不能说这是该法制备大锥角探针的极限值，但也难有更大的增加了。

由于化学腐蚀法存在腐蚀液浓度、温度，及腐蚀时间等工艺参数的控制问题；热拉伸法也存在拉力，加热温度，加热速度，加热停留时间等工艺参数的控制问题，这两种方法都存在诸多工艺参数控制困难，就产生了制备光纤探针几何形状的一致性差，表面光洁度稳定性差的问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种能制备大锥角光纤探针，并能控制表面光洁度及角度精度的制备光纤探针的光学加工微型机床。

本发明的技术方案是：一种多功能光纤端面光学加工微型机床，包括主机底座（24）、设置在主机底座（24）上部一端的主轴动力箱（1），其特征是：可回转床身导轨（11）通过回转轴（26）与主机底座（24）连接； 

扇形板圆导轨（15），位于可回转床身导轨（11）与主机底座（24）之间。扇形板圆导轨（15）的圆心通过回转轴（26）；用四个圆柱螺钉将扇形板圆导轨（15）固定在主机底座（24）上；

床身导轨回转锁紧装置（10），安装固定在可回转床身导轨（11）的右侧。床身导轨回转锁紧装置（10）下方的T型铁装入扇形板圆导轨（15）的T型槽之中，两者为动配合；床身导轨回转锁紧装置（10）上的两个紧定螺钉用于锁定或放开可回转床身导轨在扇形板圆导轨上的运动； 

高速磨头（23），通过V型支架（20）与中拖板（21）联接，并保持高速磨头（23）的转轴与主轴（3）的转轴在同一水平面内；单相串激电动机（7）通过支柱（22）与拖板（21）联接，通过皮带及联接在高速磨头（23）轴上的皮带轮（9）带动高速磨头（23）旋转；

中拖板（21）装在大拖板（19）的燕尾导轨上；通过操纵中拖板横向进给手轮（16），转动横向进给丝杆（18），使中拖板带动金刚砂磨具获得横向进给运动；大拖板（19）安装在可回转床身导轨（11）上，通过操纵大拖板纵向进给手轮（14），转动纵向进给丝杆（12），使金刚砂磨具获得纵向进给运动；

工件夹具（4）是高精度捷合夹头0.15-4mm,通过JTO锥柄安装在主轴（3）上构成的；

金刚砂磨具夹具（25）是高精度捷合夹头0.6-6mm，通过莫氏短锥柄安装在高速磨头（23）轴上构成的。

回转轴（26）是由单列向心推力球轴承的内环固定在其轴上，而外环轴向固定在可回转床身导轨（11）之上构成。

主机底座（24）的中部设有万向支架（6），万向支架（6）上安装有显微镜（5）。

主轴动力箱（1）内设有调速机构，在主轴动力箱（1）上面设有主轴调速开关（2）。

单相串激电动机（7）上连接有高速磨头调速开关（8）。

本发明的光学加工微型机床，是根据均匀磨损理论，装夹高速磨头（23）上的金刚砂磨具与装夹在工件夹具（4）上的被加工工件接触面上每点的运动轨迹不能重合，磨头（23）除具有绕X轴的旋转运动（ωx）外，它还具有绕Z轴旋转运动（ωz），以及沿X轴的直线运动（X），沿Y轴的直线运动（y），加上装在主轴（3）的工件夹具（4）绕Xo轴的旋转运动（ωXo），共实现五个自由度（x、y、ωx、ωz、ωxo）的运动。

      通过对某种运动的组合，可实现圆锥面、球面、平面及斜面光纤探针的光学加工。

本发明的有益效果

该多功能光纤端面光学加工微型机床至少由五个自由度（x、y、ωx、ωz、ωx0）的机械装置构成。该微型机床是一种多用途的光纤端面光学加工设备，其能在大锥角状态下工作，它可用于加工光纤端平面、圆锥面、球面及斜面的微型光学元件，同时它可用于光纤切断，光纤端面粗磨成型，精磨修整，研磨抛光等多道工序的光学加工。

附图说明

图1该多功能光纤端面光学加工微型机床的立体结构示意图；

图2该多功能光纤端面光学加工微型机床的俯视结构示意图；

图中1.主轴动力箱、2.主轴调速开关、3.轴、4.工件夹具、5.显微镜、6.万向支架、7.单相串激电动机、8.高速磨头调速开关、9.皮带轮、10.床身导轨回转锁定装置、11.可回转床身导轨、12.纵向进给丝杠、13.紧定螺钉、14.大拖板纵向进给手轮、15.扇型板圆导轨、16.中拖板横向进给手轮、17.紧定螺钉、18.横向进给手轮、19.大拖板、20.V型支架、21.中拖板、22.支柱、23.高速磨头、24.主机底座、25.金刚砂磨具夹具、26.回转轴。

具体实施方式

参见图1-2，图中一种多功能光纤端面光学加工微型机床，包括主机底座（24）、设置在主机底座（24）上部一端的主轴动力箱（1），其特征是：可回转床身导轨（11）通过回转轴（26）与主机底座（24）连接； 

扇形板圆导轨（15），位于可回转床身导轨（11）与主机底座（24）之间。扇形板圆导轨（15）的圆心通过回转轴（26）；用四个圆柱螺钉将扇形板圆导轨（15）固定在主机底座（24）上；

床身导轨回转锁紧装置（10），安装固定在可回转床身导轨（11）的右侧。床身导轨回转锁紧装置（10）下方的T型铁装入扇形板圆导轨（15）的T型槽之中，两者为动配合；床身导轨回转锁紧装置（10）上的两个紧定螺钉用于锁定或放开可回转床身导轨在扇形板圆导轨上的运动； 

高速磨头（23），通过V型支架（20）与中拖板（21）联接，并保持高速磨头（23）的转轴与主轴（3）的转轴在同一水平面内；单相串激电动机（7）通过支柱（22）与拖板（21）联接，通过皮带及联接在高速磨头（23）轴上的皮带轮（9）带动高速磨头（23）旋转；

中拖板（21）装在大拖板（19）的燕尾导轨上；通过操纵中拖板横向进给手轮（16），转动横向进给丝杆（18），使中拖板带动金刚砂磨具获得横向进给运动；大拖板（19）安装在可回转床身导轨（11）上，通过操纵大拖板纵向进给手轮（14），转动纵向进给丝杆（12），使金刚砂磨具获得纵向进给运动；

工件夹具（4）是高精度捷合夹头0.15-4mm,通过JTO锥柄安装在主轴（3）上构成的；

金刚砂磨具夹具（25）是高精度捷合夹头0.6-6mm，通过莫氏短锥柄安装在高速磨头（23）轴上构成的。

回转轴（26）是由单列向心推力球轴承的内环固定在其轴上，而外环轴向固定在可回转床身导轨（11）之上构成。

主机底座（24）的中部设有万向支架（6），万向支架（6）上安装有显微镜（5）。

主轴动力箱（1）内设有调速机构，在主轴动力箱（1）上面设有主轴调速开关（2）。

单相串激电动机（7）上连接有高速磨头调速开关（8）。

工作原理：

该机床的主运动是主轴（3）绕Xo轴的回转运动（ωxo）及高速磨头（23）绕X轴的回转运动（ωx）。金刚砂磨具通过其夹具（25）与高速磨头（23）联接，高速磨头（23）

通过V型支架（20）与中拖板（21）联接，中拖板（21）装在大拖板（19）的燕尾导轨上。通过操纵中拖板横向进给手轮（16），转动横向进给丝杆（18），使金刚砂磨具获得横向进给运动（Y）。大拖板（19）安装在可回转床身导轨（11）上，通过操纵大拖板纵向进给手轮（14），转动纵向进给丝杆（12），使金刚砂磨具获得纵向进给运动（X）。可回转床身导轨（11）可绕主机底座（24）上的回转轴（26）沿扇形板圆导轨（15），在水平面内作圆周回转运动（ωz），可回转床身导轨（11）平行于高速磨头（23）的转轴X。高速磨头（23）的回转轴X与主轴（3）的夹角为α，光纤半锥角为θ，则α=90°-θ。设定可回转床身导轨（11）转角α=0°至75°，可获得光纤锥角2θ=180°至30°（相应平端面光纤探针到30°锥型光纤探针的加工范围）。

在可回转床身导轨（11）的右侧装有床身导轨回转锁紧装置（10），在该装置下方的T型铁装入扇形板圆导轨（15）的T型槽之中，限制其在Z型轴方向的运动。在该装置上的两个紧定螺钉，当可回转床身导轨（11）可自由回转运动，当可回转床身导轨（11）转到某个α角，并拧紧紧定螺钉后，光学加工微型机床便可在稳定状态下进行工作。

用本发明的多功能光纤端面光学加工微型机床加工大锥角光纤探针，操作流程如下：

实施例1：准备工作，备齐600号粗磨成形金刚砂磨具，1000号精磨修整金刚砂磨具，氧化铈抛光磨具及三乙醇胺，酒精，5#、7#机油冷却剂及氧化铈抛光液。光纤加工前的准备，将蓝宝石单模光纤切断约40mm长，用火焰处理成裸光纤后封装于金属管中，加工端外露约2mm备用。

研磨抛光操作要领，同时操纵中拖板横向进给手轮（16）及大拖板纵向进给手轮（14），当金刚砂磨具端面于光纤刚接触时，大拖板停止运行。操纵中拖板横向进给0.025mm，同时操作中拖板横向进行首次往复研磨后退回原处。重复操纵大拖板纵向进给0.025mm及中拖板横向进行往复研磨后退回原处的运行过程，光纤端面将处于连续不断的研磨加工过程中。对于光纤端面的粗磨成型，精磨休整，研磨抛光三道工序的操纵要领均相同。

大锥角光纤探针研磨抛光。通过调节可回转床身导轨（11）及用角度样板规定位的方法，获得光纤探针需加工的锥体角度。将封装光纤的金属管装于工件夹具（4）中，用装夹于万向支架（6）上的显微镜（5）观察，调节光纤的同心度达到0.02mm以内。粗磨成形，精磨休整使用3%三乙醇胺为冷却液，研磨抛光使用氧化铈抛光液，并将冷却抛光液喷射咀对准研磨面。更具粗磨，精磨及抛光工序更换相应的磨具并安装在告诉磨头夹具（25）上。开启主轴调速开关（2），高速磨头调速开关（8），并控制工件转速80转/分，磨具转速8000转/分。按b的操作要领，将光纤端面分别进行上述三道工序的光学加工，最终获得1号锥角光纤探针。

实施例2.除冷却液改为酒精+水，比例为2:1外，其他均同上。按b的操作要领，对光纤端面进行三道工序的光学加工，获得2号锥角光纤探针。

实施例3.冷却液改为7#机油，其他均同上，按b的操作要领，对被加工光纤端面重复上述光学加工过程，获得3号锥角光纤探针。

对光纤探针的端平面的加工流程：

调节可回转床身导轨（11），令其平行于主轴（3），并拧紧床身导轨回转锁紧在装置（10）上的紧定螺钉，按上述工艺流程对1号、2号及3号锥角光纤探针的端平面进行光学加工。

对完成了加工全过程的1号、2号、3号锥角光纤探针的质量情况作了初步测试，光纤探针样品测试结果如下：

1号夹角：105°25′，偏心：0.0030mm；2号夹角：103°47′，偏心：0.0148mm；3号夹角：99°45′，偏心：0.0141mm。

Claims (6)

1.一种多功能光纤端面光学加工微型机床，包括主机底座（24）、设置在主机底座（24）上部一端的主轴动力箱（1），其特征是：可回转床身导轨（11）通过回转轴（26）与主机底座（24）连接； 

扇形板圆导轨（15），位于可回转床身导轨（11）与主机底座（24）之间；扇形板圆导轨（15）的圆心通过回转轴（26）；用四个圆柱螺钉将扇形板圆导轨（15）固定在主机底座（24）上；

床身导轨回转锁紧装置（10），安装固定在可回转床身导轨（11）的右侧。

2.床身导轨回转锁紧装置（10）下方的T型铁装入扇形板圆导轨（15）的T型槽之中，两者为动配合；床身导轨回转锁紧装置（10）上的两个紧定螺钉用于锁定或放开可回转床身导轨在扇形板圆导轨上的运动； 

高速磨头（23），通过V型支架（20）与中拖板（21）联接，并保持高速磨头（23）的转轴与主轴（3）的转轴在同一水平面内；单相串激电动机（7）通过支柱（22）与拖板（21）联接，通过皮带及联接在高速磨头（23）轴上的皮带轮（9）带动高速磨头（23）旋转；

中拖板（21）装在大拖板（19）的燕尾导轨上；通过操纵中拖板横向进给手轮（16），转动横向进给丝杆（18），使中拖板带动金刚砂磨具获得横向进给运动；大拖板（19）安装在可回转床身导轨（11）上，通过操纵大拖板纵向进给手轮（14），转动纵向进给丝杆（12），使金刚砂磨具获得纵向进给运动；

工件夹具（4）是高精度捷合夹头0.15-4mm,通过JTO锥柄安装在主轴（3）上构成的；

金刚砂磨具夹具（25）是高精度捷合夹头0.6-6mm，通过莫氏短锥柄安装在高速磨头（23）轴上构成的。

3.根据权利要求1所述的多功能光纤端面光学加工微型机床，其特征是：回转轴（26）是由单列向心推力球轴承的内环固定在其轴上，而外环轴向固定在可回转床身导轨（11）之上构成。

4.根据权利要求1所述的多功能光纤端面光学加工微型机床，其特征是：主机底座（24）的中部设有万向支架（6），万向支架（6）上安装有显微镜（5）。

5.根据权利要求1所述的多功能光纤端面光学加工微型机床，其特征是：主轴动力箱（1）内设有调速机构，在主轴动力箱（1）上面设有主轴调速开关（2）。

6.根据权利要求1所述的多功能光纤端面光学加工微型机床，其特征是：单相串激电动机（7）上连接有高速磨头调速开关（8）。

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