CN106271105A - 一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法及系统。确定激光入射角度，使激光入射角度满足切割后的光纤端面垂直于光纤光轴，根据所需加工的光纤端面倾斜角角度相应调整激光椭圆形光斑的长轴方向改变量，所述激光椭圆形光斑的长轴方向改变量与所需加工的光纤端面倾斜角角度一致。本发明将复杂的参数调节和繁琐的操作进行了简化，解决了激光在切割不同端面倾斜角要求的光纤时无法快速实时调整的问题，实现了多功能操作的便利性，同时，其能在同一台设备上同时实现不同端面倾斜角度切割光纤的快速设置工序，具有较高的效率和加工精确度。

Description

一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法及系统

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法及系统。

背景技术

随着数据中心的快速发展，云计算、云存储等应用逐渐渗透各个行业，网络通信的带宽要求也随之迅猛增加，而光纤在光通信领域扮演着重要的角色。光纤可在各种应用中用来传输或处理光。实例包括：将光输送到形成在衬底上的集成光学组件或装置或从所述组件或装置接收光；在波长分割多路复用光学通信装置及系统中传输信息通道；形成光纤开关矩阵装置或光纤阵列到阵列连接器，及产生用于光放大或激光振荡的光增益。光纤本质上充当“光管”以将光限制在光纤边界中且将光从一个点传递到另一个点。

典型光纤可简化为具有光纤芯及围绕光纤芯的包覆层。光纤芯的折射率比包层高从而限制光。光线相对于光纤芯的纵轴在最大角度内耦合到光纤芯中，所述光线在光纤芯与包层的界面处全内反射。此全内反射在空间上将光线的光能限制在一个或多个选定的光纤模式中以沿着光纤芯引导光能。

常见的光纤端面被处理为垂直于光纤光轴的平面，而在某些应用场合则需要光纤端面倾斜特定的角度，例如8°角或45°角等等。目前，现场光纤的获得主要是采用光纤切割刀切割光纤。在切割刀磨损或质量不好时，切出的光纤端面存在缺陷，即光纤端面不是一个完整的圆形，其边沿会留有部分光纤没完全切断，导致光纤端面出现凹凸不平等问题，一致性较差。另以方面，光纤切割刀属于接触式机械切割，而光纤本身直径很小，承受力很脆弱，要想用光纤刀切割出具有一定倾斜角度的光纤端面十分困难。

现在也出现了利用激光切断光纤的加工方法，该类技术专利包括US7142741B2《Laser Cutting Method and apparatus for optical fibers or waveguides》、US005421928A《Laser removal of excess optical fiber prior to connectorpolishing》等，此类专利对于采用复杂的光束整形如调整激光入射角、调整光纤倾角等方法实现光纤切割。不论直接对激光入射角进行调整还是对光纤倾角进行调整，其均需要对大量参数进行计算，并对多个部件进行调整，成本高、操作繁琐，不利于提高生产效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种操作简便，计算量小的可实现光纤端面角度控制的激光切割方法及系统。

关于本发明一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其技术方案为：确定激光入射角度，使激光入射角度满足切割后的光纤端面垂直于光纤光轴，根据所需加工的光纤端面倾斜角角度相应调整激光椭圆形光斑的长轴方向改变量，所述激光椭圆形光斑的长轴方向改变量与所需加工的光纤端面倾斜角角度一致。

进一步的，根据公式确定当切割后的光纤端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度，所述D为光纤直径，w为椭圆聚焦光斑短轴半宽度，所述θ₉₀为光纤切割端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度。

进一步的，所述激光椭圆形光斑的长轴变化量通过旋转柱面镜进行调整。

进一步的，所述光纤端面倾斜角为时，所述激光椭圆形光斑的长轴变化量为所述柱面镜旋转角度也为

进一步的，所述激光进行切割时，需沿光轴左右移动所述柱面镜，以使椭圆光斑的长轴与短轴比例满足3：1～5：1。

进一步的，在激光切割每根光纤的过程中，光纤与激光光束的位置相对固定。

进一步的，所述激光光源为远红外激光，所述激光光源的波长为9-11微米。

进一步的，所述激光光源的峰值功率不小于200瓦。

进一步的，所述激光光源的光束质量M2因子不大于1.5。

关于本发明一种可实现光纤端面角度控制的激光切割系统，其技术方案为：包括激光光源、反射镜、柱面镜和聚焦镜，所述激光光源发出的激光经反射镜反射后射入柱面镜，形成椭圆对称激光束，所述椭圆对称激光束经聚焦镜聚焦后对光纤进行切割。

进一步的，所述聚焦镜为球面聚焦镜。

本发明的有益效果为：将传统直接通过调整激光入射角度θ达到调整光纤端面角度为所需角度的一步控制法分解为确定光纤端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度和根据光纤端面所需角度相应调整激光椭圆形光斑的长轴方向改变量。光纤端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度θ₉₀仅由光纤直径和椭圆聚焦光斑短轴半宽度决定，计算和调节过程简便。而光纤端面倾斜角度与激光椭圆形光斑的长轴变化量，以及柱面镜绕光轴的旋转角度一致，仅需将柱面镜绕光轴旋转一个角度，既能使光纤端面角度为所需角度。本专利将复杂的参数调节和繁琐的操作进行了简化，解决了激光在切割不同端面倾斜角要求的光纤时无法快速实时调整的问题，实现了多功能操作的便利性，同时，其能在同一台设备上同时实现不同端面倾斜角度切割光纤的快速设置工序，具有较高的效率和加工精确度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为高斯光束垂直入射切割光纤端面倾斜角度示意图；

图3为光纤端面垂直于光纤光轴时高斯光束倾斜入射示意图；

图4为椭圆聚焦光斑垂直切割光纤示意图；

图5为椭圆聚焦光斑倾斜切割光纤示意图；

图中：1-激光光源；2-激光光束；3-反射镜；4-柱面镜；5-聚焦镜；6-光纤；7-激光入射角度；8-光束高斯分布宽度；9-椭圆聚焦光斑；10-椭圆聚焦光斑长轴，11-光纤端面角度。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，一种可实现光纤端面角度控制的激光切割系统，其包括：激光光源1、反射镜3、柱面镜4、聚焦镜5。反射镜3由互成90度夹角的两块反射镜构成，反射镜与光轴呈45度夹角。本实施例中的激光光源1为远红外激光光源，利用CO2激光器产生的光能及其激光参数：波长9.2——10.8微米、峰值功率大于等于200瓦、光束质量M2因子小于等于1.5、最小脉冲宽度3微秒、最小脉冲周期10微秒；聚焦镜5为球面聚焦镜。激光光源1发出的激光光束2经反射镜3调整后，其传输方向可以对准柱面镜4的光轴。激光光束2经过柱面镜4后，与柱面镜4的弯曲轴对应的光束的发散角被压缩，而与其正交的光束的发散角保持不变，其结果是将圆形对称的激光光束2变为了椭圆对称光束；沿着传输光轴移动柱面镜4的位置，能够改变经过柱面镜4后的椭圆光束的长轴和短轴的比例，绕着传输光轴旋转柱面镜4，能够改变经过柱面镜4后的椭圆光束的长轴或短轴的方向；激光光束2最后经过球面聚焦透镜5，聚焦成长宽比例合适的焦点椭圆光斑，可以用来切割光纤。

激光光束2的光斑横截面光强具有高斯分布特征，如图2所示的其中一个观察轴，当激光光束2的入射方向垂直于光纤6的光轴时，由于激光光斑光强的高斯分布特性和热效应综合作用的结果，使得切割后光纤端面并非垂直于光纤光轴，而是存在光纤端面角度11。激光与材料的作用一般情况下用热传导方程加以描述：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\▿\·(k\▿T)+q(x,y,z,t)$

上式中，ρ为光纤材料密度，C_p为光纤材料比热，k为光纤材料热导率，q(x,y,z,t)为作用区域的热源强度函数，它与激光聚焦光斑强度分布成比例关系，即高斯分布函数，T(x,y,z,t)为温度分布函数。激光切割光纤的过程，是光纤在被激光辐照时快速升温达到材料气化温度，由于脉冲激光作用时间短、且光纤材料的热导率很小，可以近似忽略热传导过程对材料气化的影响。因此，被激光辐照部分的光纤材料气化蚀刻深度直接与激光功率密度成正比例关系，在一维情况下描述为：

$h\left(x\right)={\mathrm{N\ηe}}^{-2{\left(\frac{x}{w}\right)}^2}$

上式中，h(x)为光纤材料气化蚀刻深度函数，w为聚焦椭圆光斑短轴束腰宽度，η为与激光功率有关的常数系数，N为激光脉冲数量，此式为典型的高斯分布函数。假设若干个激光脉冲刚好将光纤切断，则可以确定系数η与光纤直径D的关系，即Nη＝D。减小脉冲宽度、增加脉冲数量、增加脉冲时间间隔能有效地降低热传导效应。将气化蚀刻深度函数求一阶导数，得到：

$h^{\′}\left(x\right)=-N\mathrm{\η}\frac{4x}{w^2}{e}^{-2{\left(\frac{x}{w}\right)}^2}=-\frac{2D}{w}{e}^{-\frac{1}{2}}{|}_{x=\frac{w}{2}}\≈-1.213\frac{D}{w}$

上式气化蚀刻深度函数的一阶导数的绝对值在时达到最大值，也就是对蚀刻后的表面倾斜角贡献最大的部分；根据气化蚀刻深度函数的一阶导数，可以计算蚀刻表面倾斜角度函数为：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arctan h^{\′}\left(x\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}-arctan\left(1.213\frac{D}{w}\right){|}_{x=\frac{w}{2}}$

即激光垂直入射时，光纤端面角度11为

则有：其中θ₉₀为光纤切割端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度。

光纤端面角度11的角度大小与激光束聚焦后沿着光纤光轴方向的宽度成非线性比例关系，改变光束高斯分布宽度8，被切割光纤6的光纤端面角度11也随之改变；在高斯分布的光斑强度中，只有高于阈值条件的部分才能有效切割光纤；

如图3所示，改变激光入射角度7，被切割光纤6的光纤端面角度11也随之改变；除此以外，改变激光光束2的峰值功率或脉冲宽度等参数，被切割光纤6的光纤端面角度11也会随之改变；综合起来，在其中一个观察轴要使得被切割光纤6的端面垂直于光纤光轴，需要配合调整激光入射角度7、光束高斯分布宽度8、激光光束2的峰值功率和脉冲宽度等参数，且难以通过计算方法确定这些参数。当聚焦镜5的聚焦确定时，光束高斯分布宽度8被确定，在激光光束2的峰值功率和脉冲宽度等参数也固定不变时，只用仔细调整激光入射角度7，就能在其中一个观察轴得到被切割光纤6的端面垂直于光纤光轴的条件。如：聚焦镜5的焦距为40毫米，聚焦成宽度80微米、长度250微米的椭圆形光斑，切割光纤，被切割光纤的直径为125微米，则根据计算公式：

即光束垂直入射时，被切割光纤端面的倾斜角度大约为14.78°，即要使得光纤端面在激光入射平面内与光纤光轴垂直，激光入射角度为75.2°。

而放置在传输光路中的柱面镜4，其沿着传输光轴方向移动，能够改变聚焦后的椭圆光斑的长轴长度，使得椭圆聚焦光斑9的长轴长度大于光纤6的直径；且椭圆聚焦光斑9的长轴与短轴的比例为3:1，以满足椭圆聚焦光斑9覆盖光纤6的直径部分的光斑轮廓近似为直线，以保证切口切面为平面，如图4所示。绕传输光轴旋转柱面镜4，能够改变椭圆聚焦光斑9长轴或短轴的方向，且柱面镜4的旋转角度与椭圆聚焦光斑9的长轴方向角度变化量相等，从而改变切割后光纤端面的倾斜角。如图5所示，若绕传输光轴旋转柱面镜4的角度改变量为改变椭圆聚焦光斑9长轴方向改变量也为被切割后光纤端面角度11也为

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：确定激光入射角度，使激光入射角度满足切割后的光纤端面垂直于光纤光轴，根据所需加工的光纤端面倾斜角角度相应调整激光椭圆形光斑的长轴方向改变量，所述激光椭圆形光斑的长轴方向改变量与所需加工的光纤端面倾斜角角度一致。

2.如权利要求2所述的一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：根据公式确定当切割后的光纤端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度，所述D为光纤直径，w为椭圆聚焦光斑短轴半宽度，所述θ₉₀为光纤切割端面垂直于光纤光轴时的激光入射角度。

3.如权利要求1所述的一种利用激光切割光纤的方法，其特征在于：所述激光椭圆形光斑的长轴变化量通过旋转柱面镜进行调整。

4.如权利要求3所述的一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：所述激光进行切割时，需沿光轴左右移动所述柱面镜，以使椭圆光斑的长轴与短轴比例满足3：1～5：1。

5.如权利要求4所述一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：在激光切割每根光纤的过程中，光纤与激光光束的位置相对固定。

6.如权利要求5所述一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：所述激光光源为远红外激光，所述激光光源的波长为9-11微米。

7.如权利要求6所述一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：所述激光光源的峰值功率不小于200瓦。

8.如权利要求1-7中任意一种所述的一种可实现光纤端面角度控制的激光切割方法，其特征在于：所述激光光源的光束质量M2因子不大于1.5。

9.用于实现如权利要求1中可实现光纤端面角度控制的激光切割方法的激光切割系统，其特征在于：包括激光光源、反射镜、柱面镜和聚焦镜，所述激光光源发出的激光经反射镜反射后射入柱面镜，形成椭圆对称激光束，所述椭圆对称激光束经聚焦镜聚焦后对光纤进行切割。

10.如权利要求9所述一种可实现光纤端面角度控制的激光切割系统，其特征在于：所述聚焦镜为球面聚焦镜。