CN106646745B - 一种光纤切割方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤切割方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：将光纤切割操作区设置在一真空室(1)中，在真空室(1)有第一光纤夹具(3)，第二光纤夹具(4)安装在真空室(1)的底面上，第一光纤夹具(3)和第二光纤夹具(4)之间有一段距离，在第一光纤夹具(3)和第二光纤夹具(4)的中间的真空室(1)的底面上，安装镜面反射装置(8)；真空室(1)的内壁上安装有氩离子枪(5)，氩离子枪(5)，的枪口在镜面反射装置(8)的正上方，氩离子枪(5)的枪口和镜面反射装置(8)有一段距离，在真空室(1)的内壁上还安装有高分辨变焦CCD(2)；第一光纤夹具(3)、第二光纤夹具(4)、安装镜面反射装置(8)和高分辨变焦CCD(2)分别通过导线与控制器(7)连接。

Description

一种光纤切割方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其属于光纤激光技术中光纤处理方法。

技术背景

光纤切割是一种常用光纤处理方法，现在常用的光纤切割也有相应的专用设备，如单模光纤切割刀，专用大纤径光纤切割刀等，也有许多公司致力于研发特种光纤的切割设备，如Vytran，藤仓大纤径光纤切割刀。但是在高能光纤激光技术领域，采用的光纤大多数是大纤径的多边形包层光纤，如果切割刀头的切割在多边形的角上一般会留下刀口，在高功率激光传输时会形成受热不均的热点，影响激光传输，严重时这些热点会烧毁光纤。在高能脉冲光纤激光器采用光子晶体光纤越来越多，因为光子晶体光纤的损伤阈值高，大纤芯，可实现无截止单模传输，由于其纤芯有一部分空心结构，在对其切割拉力不好控制，在其端面切割的时容易造成纤芯坍塌，或引入切割端面时光纤细小材料碎屑，在传输高功率激光时会造成光纤损伤或烧毁。

此外一般的切割刀在处理光纤端面时，会浪费掉2-3cm的光纤，如果在光纤激光器中高增益的光纤切割掉2-3cm会影响激光增益水平，在切割某些微结构光纤，或大纤芯的光子晶体光纤时，其价格昂贵，每次切割都会浪费2-3cm造成切割成本高的不利影响。而光纤切割刀仅限于切割光纤端面位置，如果光纤中间位置需要切割精确截取的话光纤切割刀不能实现该功能，光纤切割刀切割的时候需去掉涂覆层，而在光纤端面镀膜时有时候需要留有光纤涂覆层。

为此，本发明公开一种光纤切割处理方法，利用氩离子源切割处理光纤，克服切割刀切割处理光纤时存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了解决技术背景中存在的问题以及目前光纤切割处理工艺中存在的技术缺陷，提供一种光纤切割处理方法。

一种光纤切割方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：将光纤切割操作区设置在一真空室1中，在真空室1有第一光纤夹具3，第二光纤夹具4安装在真空室1的底面上，第一光纤夹具3和第二光纤夹具4之间有一段距离，在第一光纤夹具3和第二光纤夹具4的中间的真空室1的底面上，安装镜面反射装置8；真空室1的内壁上安装有氩离子枪5，氩离子枪5，的枪口在镜面反射装置8的正上方，氩离子枪5的枪口和镜面反射装置8有一段距离，在真空室1的内壁上还安装有高分辨变焦CCD2；第一光纤夹具3、第二光纤夹具4、安装镜面反射装置8和高分辨变焦CCD2分别通过导线与控制器7连接；

步骤二：当需要切割光纤时，通过控制器7控制真空室1内各装置的动作；通过控制器7控制将待切割的光纤6安置在第一光纤夹具3和第二光纤夹具4上，用氩离子枪5进行切割；

步骤三：通过高分辨变焦CCD2观察切割点的情况，并通过高分辨变焦CCD2观察镜面反射装置8里的光纤的切割点下方的情况。

所述的的真空室1为切割操作空间，真空度优于10^-6Pa。

所述的高分辨变焦CCD2，其分有效像素大于1000万，放大倍率在50-1000X。

所述的光纤夹具3能够夹持5-3000μm纤径的光纤，并且能够上下大幅移动，左右在2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，通过控制器7的控制其移动；所述的光纤夹具4能够夹持5-3000μm纤径的光纤，并且能够上下大幅移动，左右2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，通过控制器7的控制其移动。

所述的氩离子枪5为放电型离子源，其输出离子束流能量范围为0.01-20keV，使用的高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其为控制器7所操作控制。

所述的镜面反射装置8，上端为三角体结构，并且双面为镜面，镀有可见光到近红外波段的宽镨的高反射膜。

从技术方案看，本发明的有益效果是：

1、克服切割刀切割处理光纤端面的缺陷，无切割刀口，无应力引入。

2、表面粗糙度比传统切割刀处理都高，可以切割成超光滑表面。

3、一次成功，无需繁琐的工艺步骤。

4、可以切割任意材料、任意纤径、任意结构光纤的任意位置和切割成任意角度。

5、切割过程对光纤长度无损耗，而一般的切割刀切割会切去夹具上的光纤2-3cm。

附图说明

图1.光纤中部位置切割处理示意图；

图2.光纤端面切割处理示意图；

图3.光纤端面监测示意图。

具体实施方式

一种光纤切割方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：将光纤切割操作区设置在一真空室1中，在真空室1有第一光纤夹具3，第二光纤夹具4安装在真空室1的底面上，第一光纤夹具3和第二光纤夹具4之间有一段距离，在第一光纤夹具3和第二光纤夹具4的中间的真空室1的底面上，安装镜面反射装置8；真空室1的内壁上安装有氩离子枪5，氩离子枪5，的枪口在镜面反射装置8的正上方，氩离子枪5的枪口和镜面反射装置8有一段距离，在真空室1的内壁上还安装有高分辨变焦CCD2；第一光纤夹具3、第二光纤夹具4、安装镜面反射装置8和高分辨变焦CCD2分别通过导线与控制器7连接；

步骤二：当需要切割光纤时，通过控制器7控制真空室1内各装置的动作；通过控制器7控制将待切割的光纤6安置在第一光纤夹具3和第二光纤夹具4上，用氩离子枪5进行切割；

步骤三：通过高分辨变焦CCD2观察切割点的情况，并通过高分辨变焦CCD2观察镜面反射装置8里的光纤的切割点下方的情况。

所述的的真空室1为切割操作空间，真空度优于10^-6Pa。

所述的高分辨变焦CCD2，其分有效像素大于1000万，放大倍率在50-1000X。

所述的光纤夹具3能够夹持5-3000μm纤径的光纤，并且能够上下大幅移动，左右在2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，通过控制器7的控制其移动；所述的光纤夹具4能够夹持5-3000μm纤径的光纤，并且能够上下大幅移动，左右2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，通过控制器7的控制其移动。

所述的氩离子枪5为放电型离子源，其输出离子束流能量范围为0.01-20keV，使用的高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其为控制器7所操作控制。

所述的镜面反射装置8，上端为三角体结构，并且双面为镜面，镀有可见光到近红外波段的宽镨的高反射膜

使用氩离子源切割光纤，无论是否含有涂覆层，是否是端面位置都可以切割。并且可以切割任意纤径，任意结构，任意材料的光纤。也可以切割光纤上任意位置，都可以实现高精度切割。可以按照要求将光纤切割成任意角度，并且切割后光纤端面可以实现超光滑水平，氩离子切割后能看见光纤端面完整的菊池花样，无颗粒嵌入污染。有利于光纤的实际使用，尤其在高功率激光传输时可以保证端面无瑕疵无热点，端面镀膜中使用时可提高膜层的附着力。

本发明通过氩离子枪5对光纤截面进行竖直方向的逐步切割，在真空环境中利用有能量的氩离子源冲击光纤纤体材料，并且氩离子源的束流直径小于5μm，也就是说切割光纤中部的话对光纤长度的损耗仅仅为5μm，对于光纤使用长度有精细要求的可以满足。氩离子冲击光纤材料中的组成粒子，包含涂覆层中的高分子以及包层中石英以及掺有金属元素和稀土元素都可以被氩离子所冲击掉，随着氩离子冲击时间增加，光纤纤体逐渐被击穿，类似于单向旋转电锯切割木材一样，氩离子枪5竖直切割光纤时，光纤中颗粒逐渐被氩离子所冲击走，这些冲击掉的颗粒在真空室的真空泵的运作下被抽走。采用的氩离子是惰性气体离子，不会与光纤材料的中粒子反应或结合，实现无污染清洁切割。

在切割光纤6中部位置时，光纤夹具3和光纤夹具4成对使用，通过光纤夹具3和光纤夹具4的上下位置实现所需要切割的角度，通过光纤夹具3和光纤夹具4的左右微小位移拉紧光纤。在仅切割端面时，光纤夹具3或光纤夹具4都可独立使用，仅需要旋转光纤夹具3或者4的上部夹持位置即可实现不同角度切割。

切割完成后光纤端面图像监测，可以通过高分辨CCD2与镜面反射装置配8合实现，其使用示意图如图3所示，通过镜面反射装置8上表面镀有的镜面高反膜将光纤端面的图像反射到CCD2中，以检查光纤端面切割是否无瑕疵和光滑。

本发明公开一种光纤切割处理方法，其中切割光纤中部位置时示意图如图1所示，切割光纤端面时示意图如图2所示，该切割处理方法的装置结构包括：

一真空室1，真空度优于10^-6Pa，用于保障氩离子切割操作时不与操作空间内气体分子和其他粒子碰撞耗散能量。在氩离子切割操作过程中，真空泵不停运作，保证冲击掉的光纤材料颗粒和氩离子被真空泵所吸附走。

一高分辨变焦CCD2，其在真空室1内上部，与控制器7相连，用于监测光纤切割实时图像，并且可以使用控制器7调整其位置和放大倍数，根据实际的光纤切割端面大小和聚焦情况，其放大倍数为50-1000X，并且镜头前带有聚光灯。切割完成后通过控制器7控制镜面反射装置8的位置，使其将光纤端面的图像反射到高分辨CCD2中，能真实有效的看见切割后的光纤端面图像。

一光纤夹具3，其在真空室1的中部，用于夹持固定光纤6，可以夹持5-3000μm纤径的光纤，在切割光纤6的中部位置时，与光纤夹具4成对使用，可以上下移动光纤夹具3和光纤夹具4的位置以调整所需要切割光纤6的角度，并且可以左右2mm内小范围移动，目的是拉紧光纤6。在切割光纤6端面位置时，光纤夹具3和光纤夹具4都可以独立使用，其上部的夹具可以通过控制器7旋转到所需的角度。其上下，左右移动通过控制器7控制。

一光纤夹具4，其在真空室1的中部，用于夹持固定光纤6，可以夹持5-3000μm纤径的光纤，在切割光纤6的中部位置时，与光纤夹具3成对使用。可以上下移动以调整所需要切割光纤6的角度，可以左右2mm内小范围移动，目的是拉紧光纤6。切割光纤6端面位置时，与光纤夹具3一样，可以独立操作使用。其上下，左右移动通过控制器7控制。

一氩离子枪5，其为潘宁放电型离子源，其输出离子束流能量范围为0.01-20keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，输出的离子束流直径为5um。其输出能量和位置为控制器7所操作控制。

一光纤6，为所要切割的对象，可以为任意纤径，任意结构，任意材料的光纤。其涂覆层可以根据实际需要去掉或保留。目前光纤的纤径范围在5-3000μm。无论是有源光纤无源光纤，多边形，多包层，微结构的光纤，对于氩离子切割来说纤径大小值影响切割速率。

一控制器7为一台电脑及控制硬件系统，其可以对光纤夹具3和光纤夹具4的位移位置进行精确控制，以达到所要切割光纤的角度，在切割光纤6中间位置时，协调控制光纤夹具3和光纤夹具4；在仅切割光纤6端面位置时，可以独立使用光纤夹具3或光纤夹具4，仅控制光纤夹具3或光纤夹具4上部夹持光纤的部分旋转角度即可。控制高分辨CCD2，控制其移动位置和放大倍率。控制镜面反射装置8，控制其上下左右移动，此外还可以对氩离子枪5进行控制，可以控制器束流能量实现不同的切割速率，其控制操作通过两个软件模块完成，分别是光纤夹具3、光纤夹具4、镜面反射装置8位移控制和氩离子枪5位移和输出能量控制模块，两个模块都集成控制器7上。控制器7是整个装置的操作和控制部分。

一镜面反射装置8，上端为三角体结构，并且双面为镜面，镀有可见光到近红外波段的宽镨的高反射膜。用于切割完成后监测光纤端面图像，与高分辨CCD2配合使用，使用方法示意图如图3所示，通过其上表面镀有的镜面高反膜将光纤端面的图像反射到高分辨CCD2中。

为了更详尽的说明本发明的方法内容，本发明方法的操作步骤是：

1、将所需要切割处理的光纤6的切割位置确认好，如果是光纤6中部某和位置，则固定在光纤夹具3和光纤夹具4上两端固定；如果仅仅切割光纤6的端帽，则仅需固定在光纤夹具3或光纤夹具4上。使所需切割的位置放置在氩离子枪5的前方。

2、开启真空室1所附有的真空泵，直至真空室内压强降至10^-6Pa，并保持真空泵一直处于运行状态。

3、通过控制器7调整光纤夹具3和光纤夹具4，上下调整光纤达到所需切割的角度，同时左右调整给光纤施加拉力，拉力大小根据光纤纤径而定，一般400μm光纤，拉力在4N。调整高分辨CCD2的位置，检查氩离子枪5的枪口位置是否正对着光纤6所需切割的位置并与之垂直。

4、启动氩离子枪5开始光纤6截面切割，根据光纤纤径大小调整束流能量大小，并且光纤切割深度不一样，切割的截面也不一样，影响切割速率。一般对于400μm石英圆光纤，在12keV束流能量下，切割速率可以达到500μm/h。束流能量越高相对应的切割速率越快。

5、待切割结束后，将光纤夹具4水平移动，将镜面反射装置8向上移动，使得镜面反射装置能将光纤端面的图像反射到高分辨CCD2中，其使用的示意图如图3所示。同时将通过高分辨CCD2采集的数据验证端面处理结果。如果无瑕疵即可，停止真空泵一段时间后等真空室1内的真空环境慢慢破坏后打开真空室1松开光纤夹具3和光纤夹具4，取出光纤6即可。

以上所述的具体实时方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：将本发明简单应用到一束光纤的端面处理，以及石英棒的切割处理中。

发明公开一种光纤切割处理方法，通过离子源冲击工艺来切割处理光纤。可以解决传统光纤切割工艺的缺陷，可以处理任意纤径、结构、材料的光纤，并可以切割光纤的任意位置，无论是否含有涂覆层，可以将光纤切割成任意角度，并且无光纤浪费。

1.本发明公开一种光纤切割方法，其特征在于使用氩离子源对光纤进行切割处理。可以切割任意材料、任意纤径、任意结构光纤的任意位置和切割成任意角度。其包括：

一真空室1，其内为光纤切割操作区，包含一高分辨变焦CCD2，一光纤夹具3，另一光纤夹具4，一氩离子枪5；

一高分辨变焦CCD2，其在光纤6的正上方，与控制器7相连接；

一光纤夹具3，其于光纤6的一部分相连接；

另一光纤夹具4，其于光纤6的另一部分相连接；

一氩离子枪5，枪头正对需要切割处理的光纤6；

一光纤6，其与光纤夹具3和光纤夹具4相连接，并被光纤夹具3和光纤夹具4所固定；

一控制器7；其与高分辨相机2相连接，与光纤夹具3相连接，与光纤夹具4相连接，与氩离子枪5相连接。

一镜面反射装置8，在光纤夹具3和光纤夹具4的中间，与控制器7相连接。

所述的的真空室1为切割操作空间，真空度优于10^-6Pa，排除切割操作时空间中其他粒子与氩离子的碰撞耗散能量，以及光纤端面引进反应的污染粒子。

所述的高分辨变焦CCD2，其分有效像素大于1000万，放大倍率在50-1000X。

所述的光纤夹具3可以夹持5-3000μm纤径的光纤，并且可以上下大幅移动，左右2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，其移动通过控制器7的操作实现。

所述的光纤夹具4可以夹持5-3000μm纤径的光纤，并且可以上下大幅移动，左右2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，其移动通过控制器7的操作实现。与光纤夹具3的位置不同，作用相同。

所述的氩离子枪5为潘宁放电型离子源，其输出离子束流能量范围为0.01-20keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其为控制器7所操作控制。

所述的光纤6，可以为任意纤径，任意结构，任意材料的光纤。其涂覆层可以根据实际需要去掉或保留。目前光纤的纤径范围在50-3000μm。

所述的控制器7为一台电脑及控制硬件系统，其可以对光纤夹具3和光纤夹具4的位移位置进行精确控制，以达到所要切割光纤的角度，可以控制镜面反射装置8，控制其上下左右移动，此外还可以对氩离子枪5进行控制，可以控制器束流能量实现不同的切割速率，其控制操作通过两个软件模块完成，分别是光纤夹具3、光纤夹具4控制和氩离子枪5控制模块，两个模块集成在一个控制器7上。

一镜面反射装置8，上端为三角体结构，并且双面为镜面，镀有可见光到近红外波段的宽镨的高反射膜。

Claims (6)

1.一种光纤切割方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：将光纤切割操作区设置在一真空室(1)中，在真空室(1)有第一光纤夹具(3)，第二光纤夹具(4)安装在真空室(1)的底面上，第一光纤夹具(3)和第二光纤夹具(4)之间有一段距离，在第一光纤夹具(3)和第二光纤夹具(4)的中间的真空室(1)的底面上，安装镜面反射装置(8)；真空室(1)的内壁上安装有氩离子枪(5)，氩离子枪(5)的枪口在镜面反射装置(8)的正上方，氩离子枪(5)的枪口和镜面反射装置(8)有一段距离，在真空室(1)的内壁上还安装有高分辨变焦CCD(2)；第一光纤夹具(3)、第二光纤夹具(4)、安装镜面反射装置(8)和高分辨变焦CCD(2)分别通过导线与控制器(7)连接；

步骤二：当需要切割光纤时，通过控制器(7)控制真空室(1)内各装置的动作；通过控制器(7)控制将待切割的光纤(6)安置在第一光纤夹具(3)和第二光纤夹具(4)上，用氩离子枪(5)进行切割；

步骤三：通过高分辨变焦CCD(2)观察切割点的情况，并通过高分辨变焦CCD(2)观察镜面反射装置(8)里的光纤的切割点下方的情况。

2.根据权利要求1所述的一种光纤切割方法，其特征在于，所述的真空室(1)为切割操作空间，真空度优于10^-6Pa。

3.根据权利要求2所述的一种光纤切割方法，其特征在于，所述的高分辨变焦CCD(2)，其有效像素大于1000万，放大倍率在50-1000X。

4.根据权利要求1所述的一种光纤切割方法，其特征在于，所述的第一光纤夹具(3)能够夹持5-3000μm纤径的光纤，并且能够上下大幅移动，左右在2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，通过控制器(7)控制其移动；所述的第二光纤夹具(4)能够夹持5-3000μm纤径的光纤，并且能够上下大幅移动，左右2mm内小间距移动增加所夹持光纤的拉力，通过控制器(7)控制其移动。

5.根据权利要求1所述的一种光纤切割方法，其特征在于，所述的氩离子枪(5)为放电型离子源，其输出离子束流能量范围为0.01-20keV，使用的高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其为控制器(7)所操作控制。

6.根据权利要求1所述的一种光纤切割方法，其特征在于，所述的镜面反射装置(8)，上端为三角体结构，并且双面为镜面，镀有可见光到近红外波段的宽镨的高反射膜。

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