CN106405738A - 一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法 - Google Patents

一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，其步骤：使用CO2激光器、He‑Ne激光器、二色镜、隔离器、分光镜、聚焦透镜、功率计等搭建预处理系统，其中两个激光器的输出光通过二色镜合为同轴光束，光束通过隔离器后被分光镜分为两束光，低能量光束反射后被第二功率计接收探测，高能量光束被会聚后辐照到光纤端面，被第一功率计接收探测；调节光纤端面位置，使光纤端面与入射光束的轴线垂直且聚焦光斑尺寸覆盖光纤纤芯；调节CO2激光器功率，即获得预处理传能光纤端面。本方法通过CO2激光器预处理传能光纤端面，减少其表层和亚表层的微缺陷，提高了传能光纤的损伤阈值，解决了高能激光传输系统的能量瓶颈问题。

Description

一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法
技术领域
本发明涉及传能光纤制造加工技术，特别是涉及一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法。
背景技术
随着集成电路、精密仪器、信息技术的发展，人们对加工精度、加工速度有了更高的要求，激光逐渐地广泛应用于各个加工领域。早期的激光加工系统利用空间光路将高能激光传输到工件部位并聚焦，实现激光切割、激光焊接、激光涂覆等功能，但是空间光路具有抗震性差、聚焦光斑大、工作环境要求高等缺点，而光纤具有柔性好、安全性高、坚固耐用等优点，所以光纤成为空间光路的理想代替品，传能光纤获得了极大的发展。随着现代工艺对激光功率水平的需求不断提高，光学元件损伤已经成为了限制激光功率提升的重要因素。在激光器输出端，高功率激光通过透镜汇聚为高能光斑后耦合输入到传能光纤中去，为确保激光能量较好的耦合进光纤中去，光斑尺寸要小于传能光纤纤芯尺寸的2/3。激光在聚焦后的光斑区域形成一个强电场，光纤端面的高吸收率杂质、缺陷和气体中的微颗粒在激光作用下很快汽化、电离，并调制增强了局部光电场，促进了等离子体的产生；最终，由于激光的热效应、多光子吸收效应和场效应，导致光纤端面的损伤。光纤入射端面的损伤会导致耦合效率的下降，甚至产生回光，损坏激光器，所以，提高光纤端面的损伤阈值是优化高能激光系统的重要手段。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法。
本发明采取的技术方案是：一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，该方法包括以下步骤：
（1）、搭建传能光纤预处理系统
使用CO2激光器、He-Ne激光器、二色镜、隔离器、分光镜、聚焦透镜、第一功率计、第二功率计、光学支架、五维调整架搭建传能光纤预处理系统；光学支架用于固定CO2激光器、He-Ne激光器、二色镜、隔离器、分光镜、聚焦透镜、第一功率计和第二功率计；五维调整架用于固定传能光纤；系统分为横向光路与纵向光路，横向光路的器件从前向后依次为CO2激光器、二色镜、隔离器、分光镜、聚焦透镜、第一功率计，纵向光路的器件包括He-Ne激光器和第二功率计两部分；CO2激光器位于横向光路的最前端；He-Ne激光器位于横向光路的垂直方向，位于二色镜的上方，用于发出可见光，方便人眼观测调节光路；二色镜与光束轴线呈-45°夹角，用于将CO2激光器和He-Ne激光器的输出光合并为一束同轴激光；隔离器由起偏器、法拉第旋转镜和检偏器组成，位于二色镜之后，用于阻挡回光保护激光器；分光镜位于隔离器之后，与光束轴线呈45°夹角，用于将光束分为能量比99:1的两束光；第二功率计位于横向光路的垂直方向，位于分光镜的上方，用于接收探测分光镜反射的低能量光束；聚焦透镜位于分光镜之后，用于将高能量光束会聚为聚焦光斑；用于固定传能光纤的五维调整架位于聚焦透镜之后；第一功率计位于传能光纤之后，用于接收探测通过传能光纤的光束能量。
（2）、获得待处理传能光纤端面
第一步、使用光纤切割刀切割传能光纤，获得传能光纤初始端面；
第二步、使用光纤研磨机对传能光纤端面进行粗糙度的研磨；
第三步、使用CeO2抛光粉磨料对传能光纤端面进行抛光；
第四步、使用去离子水冲洗传能光纤端面，使用超声酒精清洗传能光纤端面；
第五步、使用SEM显微镜检查传能光纤端面，检查合格后将其固定于五维调整架上。
（3）、打开He-Ne激光器，调节五维调整架，使传能光纤端面与光束轴线垂直且传能光纤端面中心与聚焦透镜聚焦后的光斑中心相重合；关闭He-Ne激光器，打开CO2激光器，将CO2激光器输出功率设为1W，利用远红外转光片判断聚焦光斑的大小、位置，调节传能光纤端面，使传能光纤端面中心与聚焦光斑中心相同，且聚焦光斑尺寸覆盖传能光纤的纤芯，关闭CO2激光器；
（4）、打开CO2激光器，CO2激光器输出功率由0W增加至30W，然后再将CO2激光器输出功率由30W降低至0W；
（5）取下该传能光纤，进行下一个传能光纤端面的预处理。
本发明产生的有益效果是：本方法通过提高传能光纤的损伤阈值，解决了高能激光传输系统的能量瓶颈问题；通过二氧化碳激光器预处理传能光纤端面，减少其表层和亚表层的微缺陷，增加了损伤阈值。
附图说明
图1为本发明的传能光纤预处理系统的俯视示意图；
图2为本发明的传能光纤预处理系统的正视示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参照图1和图2，一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，该方法包括以下步骤：
（1）、搭建传能光纤预处理系统
使用功率调谐范围为0-50W的CO2激光器1、He-Ne激光器2、二色镜3、隔离器4、分光镜5、聚焦透镜6、第一功率计8、第二功率计9、光学支架11、五维调整架12搭建传能光纤预处理系统；如图1所示，系统分为横向光路与纵向光路，横向光路的器件从前向后依次为CO2激光器1、二色镜3、隔离器4、分光镜5、聚焦透镜6、第一功率计8，纵向光路的器件包括He-Ne激光器2和第二功率计9两部分；He-Ne激光器2位于横向光路的垂直方向，位于二色镜3的上方，用于发出可见光，方便人眼观测调节光路；二色镜3与光束轴线10呈-45°夹角，用于将CO2激光器1和He-Ne激光器2的输出光合并为一束同轴激光；隔离器4由起偏器、法拉第旋转镜和检偏器组成，位于二色镜3之后，用于阻挡回光保护激光器；分光镜5位于隔离器4之后，与光束轴线10呈45°夹角，用于将光束分为能量比99:1的两束光，高能量的光束沿着横向光路向前传播，低能量的光束沿纵向光路发射，被第二功率计9接收探测；第二功率计9位于横向光路的垂直方向，位于分光镜5的上方，用于接收探测分光镜5反射的低能量光束；聚焦透镜6位于分光镜5的后方，用于将高能量光束会聚为聚焦光斑并辐照到传能光纤端面7-1；用于固定传能光纤7的五维调整架12位于聚焦透镜6之后；第一功率计8位于传能光纤7之后，用于接收探测通过传能光纤7的光束能量。
调节各光学元件，确保各光学元件的中心处于同一水平面上，且平行于光学平台；可调谐CO2激光器1与He-Ne激光器2的输出光通过二色镜3合为同轴光束，光束通过隔离器4后被分光镜5分为能量99:1的两束光，低能量的光束反射后被第二功率计9接收探测，高能量的光束被聚焦透镜6会聚后辐照到传能光纤端面7-1，经过传能光纤7的光能被第一功率计8接收探测。
（2）、获得待处理传能光纤端面
选择中国电子科技集团公司第四十六研究所生产的1000/1100规格的传能光纤7，使用VYTRAN公司的LDC400A型号光纤切割刀切割传能光纤7，获得初始传能光纤端面7-1；使用光纤研磨机对传能光纤端面7-1进行粗糙度5微米的研磨；使用500目CeO2抛光粉磨料对传能光纤端面7-1进行抛光；使用去离子水冲洗传能光纤端面7-1，使用超声酒精清洗传能光纤端面7-1，确保传能光纤端面7-1无杂质附着；使用200倍SEM显微镜检查传能光纤端面7-1；检查合格后将其固定于五维调整架12上。
（3）、打开He-Ne激光器2，调节五维调整架12，使传能光纤端面7-1的纤芯中心与聚焦透镜6聚焦后的光斑中心重合；关闭He-Ne激光器2，打开CO2激光器1，将CO2激光器1输出功率调到1W，利用远红外转光片判断聚焦光斑的大小、位置，调节传能光纤端面12-1，使传能光纤端面12-1中心与聚焦光斑中心相同，且聚焦光斑尺寸覆盖传能光纤纤芯，关闭CO2激光器1。
（4）、打开CO2激光器1，CO2激光器1输出功率由0W增加至30W，然后再将CO2激光器1输出功率由30W降低至0W。
（5）取下该传能光纤7，进行下一个传能光纤端面7-1的预处理。
本方法搭建传能光纤预处理系统中的二色镜3、隔离器4、分光镜5、聚焦透镜6均为基材硒化锌的光学器件。
本方法搭建传能光纤预处理系统中的聚焦透镜6的焦距为40mm-200mm。本实施例采用的聚焦透镜6的焦距为50mm。
本方法在步骤（4）中，以1W、1.5W或2W功率为步长，将CO2激光器1的输出功率由0W增加至30W，每个功率值的持续辐射时间为5s-10s；然后再以2W、2.5W或3W功率为步长，将CO2激光器1的输出功率由30W降低至0W，每个功率值的持续辐射时间为4s-8s。本实施例在步骤（4）中，以1W功率为步长，将CO2激光器1的输出功率由0W增加至30W，每个功率值的持续辐射时间为5s；然后再以2W功率为步长，将CO2激光器1的输出功率由30W降低至0W，每个功率值的持续辐射时间为4s。
本方法采用传能光纤预处理系统的原理：可调谐CO2激光器与He-Ne激光器的输出光通过二色镜合为同轴光束，光束通过隔离器后被分光镜分为能量99:1的两束光，低能量的光束反射后被第二功率计接收探测，高能量的光束被聚焦透镜会聚后辐照到传能光纤端面，经过传能光纤后被第一功率计接收探测；利用He-Ne激光器和CO2激光器调节传能光纤端面位置，使光纤端面与入射光轴线垂直，且聚焦光斑尺寸覆盖传能光纤纤芯；调节CO2激光器的输出功率，以1W为步长将CO2激光器功率由0W增加至30W，每个功率值的持续辐射时间为5s；以2W为步长将CO2激光器功率由30W降低至0W，每个功率值的持续辐射时间为4s；最后，获得预处理传能光纤端面。
由上述实施例可以看出，本发明采用了二氧化碳激光器辐射光纤端面的预处理方法，解决了光纤端面损伤的能量瓶颈问题。

Claims (6)

1.一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，该方法包括以下步骤：
（1）、搭建传能光纤预处理系统
使用CO2激光器（1）、He-Ne激光器（2）、二色镜（3）、隔离器（4）、分光镜（5）、聚焦透镜（6）、第一功率计（8）、第二功率计（9）、光学支架（11）、五维调整架（12）搭建传能光纤预处理系统；光学支架（11）用于固定CO2激光器（1）、He-Ne激光器（2）、二色镜（3）、隔离器（4）、分光镜（5）、聚焦透镜（6）、第一功率计（8）和第二功率计（9）；五维调整架（12）用于固定传能光纤（7）；系统分为横向光路与纵向光路，横向光路的器件从前向后依次为CO2激光器（1）、二色镜（3）、隔离器（4）、分光镜（5）、聚焦透镜（6）、第一功率计（8），纵向光路的器件包括He-Ne激光器（2）和第二功率计（9）两部分；CO2激光器（1）位于横向光路的最前端；He-Ne激光器（2）位于横向光路的垂直方向，位于二色镜（3）的上方，用于发出可见光，方便人眼观测调节光路；二色镜（3）与光束轴线（10）呈-45°夹角，用于将CO2激光器（1）和He-Ne激光器（2）的输出光合并为一束同轴激光；隔离器（4）由起偏器、法拉第旋转镜和检偏器组成，位于二色镜（3）之后，用于阻挡回光保护激光器；分光镜（5）位于隔离器（4）之后，与光束轴线（10）呈45°夹角，用于将光束分为能量比99:1的两束光；第二功率计（9）位于横向光路的垂直方向，位于分光镜（5）的上方，用于接收探测分光镜（5）反射的低能量光束；聚焦透镜（6）位于分光镜（5）之后，用于将高能量光束会聚为聚焦光斑；用于固定传能光纤（7）的五维调整架（12）位于聚焦透镜（6）之后；第一功率计（8）位于传能光纤（7）之后，用于接收探测通过传能光纤（7）的光束能量；
（2）、获得待处理传能光纤端面
第一步、使用光纤切割刀切割传能光纤（7），获得传能光纤初始端面；
第二步、使用光纤研磨机对传能光纤端面（7-1）进行粗糙度的研磨；
第三步、使用CeO2抛光粉磨料对传能光纤端面（7-1）进行抛光；
第四步、使用去离子水冲洗传能光纤端面（7-1），使用超声酒精清洗传能光纤端面（7-1）；
第五步、使用SEM显微镜检查传能光纤端面（7-1），检查合格后将其固定于五维调整架（12）上；
（3）、打开He-Ne激光器（2），调节五维调整架（12），使传能光纤端面（7-1）与光束轴线（10）垂直且传能光纤端面（7-1）中心与聚焦透镜（6）聚焦后的光斑中心相重合；关闭He-Ne激光器（2），打开CO2激光器（1），将CO2激光器（1）输出功率设为1W，利用远红外转光片判断聚焦光斑的大小、位置，调节传能光纤端面（7-1），使传能光纤端面（7-1）中心与聚焦光斑中心相同，且聚焦光斑尺寸覆盖传能光纤（7）的纤芯，关闭CO2激光器（1）；
（4）、打开CO2激光器（1），CO2激光器（1）输出功率由0W增加至30W，然后再将CO2激光器（1）输出功率由30W降低至0W；
（5）取下该传能光纤（7），进行下一个传能光纤端面（7-1）的预处理。
2.如权利要求1所述的一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，其特征在于，所述的二色镜（3）、隔离器（4）、分光镜（5）、聚焦透镜（6）均为基材硒化锌的光学器件。
3.如权利要求2所述的一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，其特征在于，所述的聚焦透镜（6）的焦距为40mm-200mm。
4.如权利要求3所述的一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，其特征在于，所述的聚焦透镜（6）的焦距为50mm。
5.如权利要求1所述的一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，其特征在于，在步骤（4）中，以1W、1.5W或2W功率为步长，将CO2激光器（1）的输出功率由0W增加至30W，每个功率值的持续辐射时间为5s-10s；然后再以2W、2.5W或3W功率为步长，将CO2激光器（1）的输出功率由30W降低至0W，每个功率值的持续辐射时间为4s-8s。
6.如权利要求5所述的一种增加光纤损伤阈值的激光预处理方法，其特征在于，在步骤（4）中，以1W功率为步长，将CO2激光器（1）的输出功率由0W增加至30W，每个功率值的持续辐射时间为5s；然后再以2W功率为步长，将CO2激光器（1）的输出功率由30W降低至0W，每个功率值的持续辐射时间为4s。
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