CN106563881A - 一种激光切割光纤的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种激光切割光纤的装置和方法。包括工作激光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和聚焦镜，工作激光源输出激光的光轴与第一反射镜呈45°夹角，第一反射镜与第二反射镜垂直设置，且两个反射镜的反射面相互对应，第三反射镜位于第二反射镜后级，工作激光源输出的激光经第一反射镜和第二反射镜转折扩束后经第三反射镜反射，并通过聚焦镜聚焦至待加工光纤上。通过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、整形柱面镜、聚焦镜的组合形成了对激光光束的整形及加工角度的精确控制；通过调节第三反射镜的夹角b和聚焦镜到第三反射镜的距离L2形成光纤端面形态的精度控制，使光纤端面切口角度可调。

Description

一种激光切割光纤的装置和方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，具体涉及一种激光切割光纤的装置和方法。

背景技术

光纤切割及抛光在光纤连接器制造中是一种很关键的工艺。光纤连接时光纤端面需要处理得到干净平整的表面，并且表面有时需要垂直于光纤轴或者与光纤轴有一特定的角度。若需得到高质量的光纤表面，通常在机械切割之后进行抛光处理。在光纤跳线制作领域，带插芯的尾纤研磨工艺已经非常成熟。然而一些特殊领域必须直接使用裸光纤，如MTP/MPO光纤连接器传统的机械切割和抛光方法加工成本高、良品率低下。

机械切割是一种传统的接触式的加工方法。首先对光纤施加张力或者弯曲之前先将光纤的一端折断，例如，采用锋利的钻石或碳化物或者陶瓷叶片切刀，这会使光纤在之前提到的点处折断：折断过程发生在整个光纤截面。切刀切割工艺很难消除的崩边，而且除了崩边以外，有的端面还有明显的刀痕，虽然使用超声波切刀质量崩口可能会小一点，但是都无法避免这个崩边。切割结果还跟操作熟练程度有很大关系，一般员工很难达到稳定的工艺，这对于批量生产来说是一件非常麻烦的事情。切割完成后还需要多次使用不同粗细的砂纸进行多次研磨抛光产生巨大的砂纸成本消耗，而且耗时效率低。

现在也出现了利用激光进行光纤切割的方法，此类专利包括CN103056729A《利用激光抛光光纤端面及玻璃表面的装置及其工艺方法》，此专利使用激光对玻璃表面或光纤端面进行抛光前仍旧需要利用机械进行光纤切断操作；US2004/0020906A1《Method ofservering an optical fiber using a laser Beam》和US2004/0047587《Laser cuttingmethod and apparatus for optical fibers of waveguides》，此类专利产中玻璃、光纤加工通常采用CO2激光器，小尺寸的掩模板或孔径都会出现明显的衍射条纹影响切割效果；如果用衍射器件(Diffractive Optical Elements)作为光束整形这对激光源本身是有非常严格的要求，但常规板条CO2激光器输出光束常为椭圆形，由此无法得到理想的光斑；激光束垂直于光纤切割时会不可避免的产生倾角或者某些特殊应用要求光纤端面特定角度，如何方便实现该功能并没有更进一步的说明。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能够根据实际需要改变光纤端面角度、以及光纤切割长度的激光切割光纤的装置和方法。

关于本发明一种激光切割光纤的装置，其技术方案为：包括工作激光源、第一反射镜、第二反射镜、可360°旋转且其直线位移可调的第三反射镜和聚焦镜，所述工作激光源输出激光的光轴与第一反射镜呈45°夹角，所述第一反射镜与第二反射镜垂直设置，且两个反射镜的反射面相互对应，所述第三反射镜位于第二反射镜后级，所述工作激光源输出的激光经第一反射镜和第二反射镜转折扩束后经第三反射镜反射，并通过聚焦镜聚焦至待加工光纤上。

进一步的，还包括调整架、直线调节台和旋转调节架，所述第三反射镜安装在一个可以通过旋转实现二维角度调节的调整架上，所述聚焦镜和第三反射镜通过直线调节台连接，所述聚焦镜、第三反射镜和直线调节台作为整体与旋转调节架连接。

进一步的，还包括可三向调节的摄像机，所述摄像机用于标定激光焦点位置。

进一步的，还包括机械闸门，所述机械闸门设置于摄像机与聚焦镜之间，所述机械闸门在激光发射时闭合，在摄像机拍摄激光焦点时开启。

进一步的，还包括整形柱面镜，所述整形柱面镜设置于第二反射镜与第三反射镜之间，所述整形柱面镜可沿光轴水平移动及绕光轴旋转。

进一步的，还包括指示激光源和合束镜，所述指示激光源发出的指示激光光轴与工作激光源发出的工作激光光轴垂直，所述合束镜用于将指示激光源发出的指示激光和工作及光源发出的工作激光重合。

进一步的，还包括气嘴，所述气嘴用于每次切割完毕后，喷出压缩空气去除机械闸门上的粉尘。

关于本发明一种利用激光切割光纤的方法，其技术方案为：设置第一反射镜、第二反射镜、可360°旋转且其直线位移可调的第三反射镜和聚焦镜，调节第一反射镜、第二反射镜使激光光束照射到第三反射镜的中心，通过改变第三反射镜改变激光束与第三反射镜镜面在Y-Z方向上的夹角b，调节光纤切口角度。

进一步的，通过改变第三反射镜中心距聚焦镜之间的距离，调节光纤切割长度。

进一步的，在聚焦镜下方设置可三向调节的摄像机，将摄像机调节至激光焦点正好落在拍摄画面中心的位置，每次更换光纤时均将光纤移动至拍摄画面中心后再进行切割。

进一步的，在摄像机与聚焦镜之间设置机械闸门，所述机械闸门在激光发射时闭合，在摄像机拍摄激光焦点时开启。

进一步的，每次切割完毕后，利用气嘴喷出压缩空气去除机械闸门上的粉尘。

本发明的有益效果为：本发明通过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、整形柱面镜、聚焦镜的组合形成了对激光光束的整形及加工角度的精确控制；通过摄像机和待加工光纤水平位置的调节形成了自动化生产、自动检测功能；通过调节第三反射镜的夹角b和聚焦镜到第三反射镜的距离L2形成光纤端面形态的精度控制，使光纤端面切口角度可调；待加工光纤只需要XY方向移动降低设备复杂性并提高了运动精度；通过改变第一反射镜、第二反射镜安装位置形成了对光程控制，变相实现可变倍率扩束的目的，也避免指示激光被同时扩束失去调节基准的问题；整形柱面镜放置于第二反射镜与第三反射镜之间形成了对光束形状和角度的控制，与传统方法相比对光源光束质量要求降低，不再占用聚焦镜到待加工光纤之间的位置，增大工作距离，降低粉尘对聚焦镜的污染和适应更多的安装治具；待加工光纤仅需要在水平方向上移动避免了传统方法中需要调节与水平面夹角的问题简化了设计，同时解决了光纤在水平方向有倾角造成摄像机离焦无法拍摄清晰照片的问题。

附图说明

图1为现有的激光切割光纤的示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中第三反射镜部分从X-Y方向观察的示意图；

图4为本发明中第三反射镜部分从X-Z方向观察的示意图；

图5为本发明中第三反射镜部分从Y-Z方向观察的示意图；

图6为第三反射镜固定装置结构示意图；

图7为第三反射镜固定装置另一角度结构示意图；

图中：1-工作激光源；2-合束镜；3-指示激光源；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-整形柱面镜；7-第三反射镜；8-聚焦镜；9-机械闸门；10-摄像机；11-气嘴；12-待加工光纤；13-光束矩形变换装置；14-准直镜，15—直线调节台，16—调整架，17—旋转调节架。

具体实施方式

如图1所示，为现有的激光切割光纤的装置示意图，其包括工作激光源1、准直镜14、光束矩形变换装置13、聚焦镜8、待加工光纤12。

如图2所示为本发明一种激光切割光纤的装置示意图，其包括：加工激光源1、合束镜2、指示激光源3、第一反射镜4、第二反射镜5、整形柱面镜6、第三反射镜7、聚焦镜8、机械闸门9、摄像机10、气嘴11、直线调节台15、调整架16和旋转调节架17。其中，本实施例采用的激光光源1用于产生高能脉冲激光束，波长10.6uM、光束质量1.5、平均功率100W、峰值功率250W、光束形态椭圆X:1.6mm,Y:2.3mm，激光脉冲、频率可调、发射脉冲数均可调。设定激光宽度为30uS，重复频率为20Hz，重复脉冲数25。第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜7选择直径30mM的反射镜，基片为硅，S1:45度入射、HR@10600nM>99.5％。合束镜2的直径30nM、基片为硒化锌，S1:HT@8-14uM>90％、HR@650nM>70％、S2:HT@8-14uM>90％、HT@650nM>90％。指示激光源3所发激光的波长为650nM、功率为5mW。整形柱面镜6的尺寸为20*20、基片为硒化锌、焦距F＝500、HT@9-11uM>95％。聚焦镜8的直径为20mM、基片为锡化锌、焦距F＝40mM、HT@9-11uM>95％。摄像机10的工作距离为65mM、放大倍率为4X、130万像素带同轴光源照明。待加工光纤12为材料石英玻璃、芯径9uM、包层125uM、涂敷层已去除。

由于本发明采用CO2激光器作为工作光源肉眼不可见，需要有可见的指示激光作粗调和定位基准。合束镜2与加工激光源1的激光束形成约45度夹角，指示激光源3所产生的激光与工作激光源1所产生的激光垂直并且在同一平面上。合束镜2和指示激光源3分别固定在光学调整架上可以在二个或更多的维度上调节。调节合束镜2与指示激光3的位置和角度使指示激光束与工作激光束重合。

第一反射镜4放置于合束镜2之后，并与第二反射镜5形成约90度夹角。第一反射镜4和第二反射镜5的作用是取代扩束镜延长光程、扩大激光光斑，有利于聚焦镜8聚焦后产生合适大小的光斑；同时可以缩短设备长度提高空间利用率。第一反射镜4和第二反射镜5分别固定在光学调整架上，可以在二个或更多的维度上调节。通过调节第一反射镜4和第二反射镜5实现激光光束照射到反射镜7中心。

整形柱面镜6放置于第一反射镜4和第二反射镜5之间，其作用是将激光在一个方向上进行整形，形成椭圆形光斑。整形柱面镜6安装在可旋转调节的光学调整架上，它既可以沿着光轴方向移动又可以以光轴方向旋转，从而实现椭圆形光斑与光纤切口垂直。

如图6-7所示，第三反射镜7安装在一个可以二维角度调节的调整架16上；调整架16被设计为圆形，第三反射镜7的中心与调整架16的圆心重合，调整架16可以绕圆心进行旋转，通过旋转调整架即可实现激光角度c的控制。聚焦镜8和第三反射镜7通过直线调节台15连接；聚焦镜8、第三反射镜7和直线调节台15作为整体与旋转调节架17连接；调节旋转调节架17即可实现激光角度b的控制。

第三反射镜7放置于整形柱面镜6之后，与激光束在X-Y方向上形成约45夹角c如图3所示；在X-Z方向形成约45度夹角a如图4所示；在Y-Z方向上形成夹角b如图5所示。通过调节夹角b可以实现光纤切口角度的控制；第三反射镜7既可以围绕光轴方向旋转，其本身又安装在至少两个维度的光学调整架上，通过调整架可以可变夹角c和夹角a使激光光束正好通过聚焦镜8的中心。

聚焦镜8放置于第三反射镜7和待加工光纤12之间，聚焦镜8到第三反射镜7中心距离L2可调如图4、图5所示。通过调节距离L2可以改变激光焦点到待加工光纤12距离。待加工光纤12水平放置在聚焦镜8和机械闸门9之间，它可以在XY方向上移动。通过调节夹角b、距离L2和待加工光纤的位置实现切割角度和长度的控制。反复调节整形柱面镜6到第二反射镜5之间的距离(L1)，聚焦镜8到第三反射镜7之间的距离(L2)使激光切割光纤后的切口高度差达到最小(小于1微米)。机械闸门9在激光发射过程中闭合，它既可以避免激光损坏摄像机同时也避免粉尘散落在摄像机镜头上。气嘴11用于在每次激光切割完毕后利用压缩空气除去残留在机械闸门9上的粉尘。

摄像机10用于拍摄待加工光纤12的位置，摄像机10可以在XYZ三个方向调节。当夹角b、距离L2确定后及激光焦点的位置已经固定，调节摄像机10使激光焦点正好落在拍摄画面中心。由于待加工光纤12的高度Z方向不可调节，每次更换待加工光纤12之后只需将其重新移动到拍摄画面中心即可达到激光焦点位置。激光切割完成后通过重新拍照对比加工前后光纤长度可算出实际切割长度。

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 (11)

1.一种激光切割光纤的装置，其特征在于：包括工作激光源、第一反射镜、第二反射镜、可360°旋转且其直线位移可调的第三反射镜和聚焦镜，所述工作激光源输出激光的光轴与第一反射镜呈45°夹角，所述第一反射镜与第二反射镜垂直设置，且两个反射镜的反射面相互对应，所述第三反射镜位于第二反射镜后级，所述工作激光源输出的激光经第一反射镜和第二反射镜转折扩束后经第三反射镜反射，并通过聚焦镜聚焦至待加工光纤上。

2.如权利要求1所述一种激光切割光纤的装置，其特征在于：还包括可三向调节的摄像机，所述摄像机用于标定激光焦点位置。

3.如权利要求2所述一种激光切割光纤的装置，其特征在于：还包括机械闸门，所述机械闸门设置于摄像机与聚焦镜之间，所述机械闸门在激光发射时闭合，在摄像机拍摄激光焦点时开启。

4.如权利要求1所述一种激光切割光纤的装置，其特征在于：还包括整形柱面镜，所述整形柱面镜设置于第二反射镜与第三反射镜之间，所述整形柱面镜可沿光轴水平移动及绕光轴旋转。

5.如权利要求1-4中任意一种激光切割光纤的装置，其特征在于：还包括指示激光源和合束镜，所述指示激光源发出的指示激光光轴与工作激光源发出的工作激光光轴垂直，所述合束镜用于将指示激光源发出的指示激光和工作及光源发出的工作激光重合。

6.如权利要求3一种激光切割光纤的装置，其特征在于：还包括气嘴，所述气嘴用于每次切割完毕后，喷出压缩空气去除机械闸门上的粉尘。

7.一种利用激光切割光纤的方法，其特征在于：设置第一反射镜、第二反射镜、可360°旋转且其直线位移可调的第三反射镜和聚焦镜，调节第一反射镜、第二反射镜使激光光束照射到第三反射镜的中心，通过改变第三反射镜改变激光束与第三反射镜镜面在Y-Z方向上的夹角b，调节光纤切口角度。

8.如权利要求7所述的一种利用激光切割光纤的方法，其特征在于：通过改变第三反射镜中心距聚焦镜之间的距离，调节光纤切割长度。

9.如权利要求8所述的一种利用激光切割光纤的方法，其特征在于：在聚焦镜下方设置可三向调节的摄像机，将摄像机调节至激光焦点正好落在拍摄画面中心的位置，每次更换光纤时均将光纤移动至拍摄画面中心后再进行切割。

10.如权利要求9所述的一种利用激光切割光纤的方法，其特征在于：在摄像机与聚焦镜之间设置机械闸门，所述机械闸门在激光发射时闭合，在摄像机拍摄激光焦点时开启。

11.如权利要求10所述的一种利用激光切割光纤的方法，其特征在于：每次切割完毕后，利用气嘴喷出压缩空气去除机械闸门上的粉尘。