CN107855644A - 一种激光加工装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种激光加工装置及系统，包括激光器、激光振镜、物镜、加工平台及控制系统，其中，激光器用于发射激光光束；激光光束依次通过激光振镜和物镜后聚焦于固定在加工平台上的待加工物体的预设位置；控制系统用于将预设线排轨迹定位至待加工物体的预设位置，并依据与预设线排轨迹相应的轨迹信息生成控制信号，激光振镜依据控制信号进行逐线扫描，使聚焦于纤芯位置的激光光束对待加工物体进行刻写。可见，本发明实施例通过逐线扫描的方式对待加工物体的预设位置进行刻写，在对待加工物体进行精确刻写的过程中无需对待加工物体进行移动，从而降低对设备精确度的要求，降低了制作成本和难度，提高了生产质量。

Description

一种激光加工装置及系统

技术领域

本发明实施例涉及光纤光栅技术领域，特别是涉及一种激光加工装置及系统。

背景技术

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。其中，光纤从外之内分别为涂覆层、包层和纤芯，在激光加工之前需要先采用线钳将光纤的涂覆层剥去，仅留纤芯和包层，在利用激光沿光纤轴线方向逐点照射在光纤上，使纤芯和包层之间产生折射率之差，从而产生具有一定周期的光纤光栅。

目前，在光纤光栅的制备过程中，通常采用逐点写入的方法将聚焦后的激光光束沿光纤轴线方向逐点曝光，以形成光栅，并且每写一个条纹光栅就需要移动一定距离，在移动光栅过程中需要采用精密控制机构控制光纤的运动位移，且为了将微米量级的激光光斑聚焦在纤芯中心(即纤芯)，以及刻写过程中要保证设备与光纤轴线移动方向的平行，故，现有技术中对聚焦系统的定位精度、位移平台以及用来固定光纤的装夹的精度要求均非常高，若在写入过程中稍有偏差，光栅写入位置就会偏离所需方向，造成报废，从而使光纤光栅的制作的成本增高、难度加大。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的激光加工装置及系统成为本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种激光加工装置及系统，在使用过程中降低了对设备精确度的要求，从而降低光纤光栅的制作成本和难度，提高了成栅质量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种激光加工装置，包括激光器、激光振镜、物镜、用于固定光纤的加工平台及控制系统，其中：

所述激光器用于发射激光光束；所述激光光束依次通过所述激光振镜和所述物镜后聚焦于固定在所述加工平台上的待加工物体的预设位置；所述控制系统用于将预设线排轨迹定位至所述待加工物体的预设位置，并依据与所述预设线排轨迹相应的轨迹信息生成控制信号，所述激光振镜依据所述控制信号进行逐线扫描，使聚焦于所述预设位置的激光光束对所述待加工物体进行刻写，以形成相应的光栅；其中，所述待加工物体为光纤，所述预设位置为纤芯位置。

可选的，还包括平顶光束整形器，所述激光器发射的激光光束经过所述平顶光束整形器射入至所述激光振镜的入射端。

可选的，所述平顶光束整形器包括开普勒型非球面模组、第一定倍扩束镜模组和第二定倍扩束镜模组；所述激光器发射的激光光束依次通过所述开普勒型非球面模组、所述第一定倍扩束镜模组和所述第二定倍扩束镜模组后射入至所述激光振镜的入射端。

可选的，在所述平顶光束整形器和所述激光振镜之间还包括第一反射镜、衰减片和第二反射镜，所述平顶光束整形器射出的激光光束依次经过所述第一反射镜、所述衰减片和所述第二反射镜后射入至所述激光振镜的入射端。

可选的，还包括介质层，所述激光光束在经过物镜后通过所述介质层聚焦于所述光纤的纤芯位置，所述介质层与所述激光光束的接触面为平面，所述介质层的折射率与所述光纤包层的折射率之差小于预设值。

可选的，所述介质层包括毛细管和浸液层，所述光纤穿过所述毛细管的孔道后固定于所述加工平台上，所述浸液层位于所述光纤外壁与所述孔道内壁之间；所述毛细管中与所述激光光束接触的外表面为平面。

可选的，所述介质层包括玻璃管，所述光纤穿过所述玻璃管的孔道后固定于所述加工平台上，所述玻璃管的孔道半径与所述光纤半径相同；所述玻璃管中与所述激光光束接触的外表面为平面。

可选的，所述物镜为油浸显微物镜。

可选的，所述激光器为皮秒激光器。

本发明实施例还提供了一种激光加工系统，包括如上述所述的激光加工装置。

本发明实施例提供了一种激光加工装置及系统，包括激光器、激光振镜、物镜、用于固定光纤的加工平台及控制系统，其中激光器用于发射激光光束；激光光束依次通过激光振镜和物镜后聚焦于固定在加工平台上的待加工物体的预设位置；控制系统用于将预设线排轨迹定位至待加工物体的预设位置，并依据与预设线排轨迹相应的轨迹信息生成控制信号，激光振镜依据控制信号进行逐线扫描，使聚焦于预设位置的激光光束对待加工物体进行刻写，以形成相应的光栅；其中，待加工物体为光纤，预设位置为纤芯位置。

可见，本发明实施例中通过控制系统将预设线排轨迹精确的定位至光纤的纤芯位置，并通过激光振镜按照预设线排轨迹进行精确的逐线扫描，从而使聚焦于所述纤芯位置的激光光束对所述光纤进行刻写，以形成光纤光栅。本申请中激光光束的作用区域始终在光纤纤芯上，采用激光振镜进行逐线扫描的方式可以使精准的对光纤纤芯进行刻写，并且在对光纤纤芯进行精确刻写的过程中无需对光纤进行移动，从而降低对设备精确度的要求，降低光纤光栅的制作成本和难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光振镜采用逐线扫描方式对光纤纤芯进行刻写的示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种激光加工装置的结构示意图；

图4为一种柱透镜效应示意图；

图5为本发明实施例中提供的激光光束通过一种介质层入射至光纤纤芯的剖面示意图；

图6为本发明实施例中提供的激光光束通过另一种介质层入射至光纤纤芯的剖面示意图；

图7为与图6中的介质层对应的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种激光加工装置及系统，在使用过程中降低了对设备精确度的要求，从而降低光纤光栅的制作成本和难度，提高了成栅质量。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种激光加工装置的结构示意图。

本发明实施例中的激光加工装置包括激光器11、激光振镜12、物镜13、用于固定光纤的加工平台14及控制系统15，其中：

激光器11用于发射激光光束；激光光束依次通过激光振镜12和物镜13后聚焦于固定在加工平台14上的待加工物体的预设位置；控制系统15用于将预设线排轨迹定位至待加工物体的预设位置，并依据与预设线排轨迹相应的轨迹信息生成控制信号，激光振镜12依据控制信号进行逐线扫描，使聚焦于预设位置的激光光束对待加工物体进行刻写，以形成相应的光栅；其中，待加工物体为光纤，预设位置为纤芯位置，所形成的光栅为光纤光栅。

需要说明的是，在通过本发明实施例中所提供的激光加工装置进行激光加工时，预先将代加工物体(即剥除涂覆层的光纤)固定在加工平台14上(本申请中的光纤均指剥除涂覆层的光纤)，具体可以通过固定夹具进行固定，预先在软件中绘制出需要的光栅长度、周期Λ及激光扫描轨迹，本申请中的激光扫描轨迹为线排轨迹，也即由具有一定周期的一排排线构成的轨迹，可以通过控制系统15(具体可以通过CCD定位系统)将预设线排轨迹定位至加工平台14上的光纤的纤芯位置。本申请中的激光振镜12可以由X-Y光学扫描头、电子驱动放大器和光学反射镜组成，控制系统15发送的控制信号通过电子驱动放大器后驱动X-Y光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光光束的偏转，其中，控制信号依据预设线排轨迹的轨迹信息生成，激光振镜12可以根据控制信号控制激光光束在偏转过程中按照预设线排轨迹对光纤纤芯进行刻写光栅，具体请参照图2。

具体的，开始制作时开启激光器11使其发射出激光光束，并且激光光束通过激光振镜12和物镜13后聚焦于固定在加工平台14上的光纤的纤芯位置，控制系统15将预设线排轨迹精确定位至光纤的纤芯位置，激光振镜12依据控制系统15发送的控制信号控制激光光束在X-Y平面进行偏转，使激光光束按照预设线排轨迹在光纤上逐线扫描进行刻写，从而形成光纤光栅，并且每一条光栅由一个个密集排布的光斑斑点连接而成，其中光纤光栅的具体周期可以根据实际情况进行确定本申请对此不做限定。

本申请中提供的逐线扫描方式只需要保证一排排的线垂直于光纤轴线方向，且覆盖到纤芯范围即可，也即使激光光束的作用区域始终在纤芯上，即使有轻微的精度误差仍可以保证激光光束完全作用在纤芯上(具体可以通过调整线长时纤芯处于激光光束作用区域内)，无需将微米量级的激光光斑精准聚集在纤芯中心，从而降低了对设备精度的要求，在一定程度上使制作成本降低。并且本申请中采用线扫描的方式不需要移动光纤，从而可以避免通过位移平台对光纤进行移动，从而避免在移动光纤过程中造成的成栅偏移问题，也即本申请相对于现有技术在降低对设备精确度要求的同时，提高了光纤光栅的成栅质量。

还需要说明的是，本发明实施例中还包括宽带光源和光谱分析仪，并且宽带光源和光谱分析仪均为现有技术，故本申请在此不做详细介绍。

本发明实施例提供了一种激光加工装置，包括激光器、激光振镜、物镜、用于固定光纤的加工平台及控制系统，其中激光器用于发射激光光束；激光光束依次通过激光振镜和物镜后聚焦于固定在加工平台上的待加工物体的预设位置；控制系统用于将预设线排轨迹定位至待加工物体的预设位置，并依据与预设线排轨迹相应的轨迹信息生成控制信号，激光振镜依据控制信号进行逐线扫描，使聚焦于预设位置的激光光束对待加工物体进行刻写，以形成相应的光栅；其中，待加工物体为光纤，预设位置为纤芯位置。

可见，本发明实施例中通过控制系统将预设线排轨迹精确的定位至光纤的纤芯位置，并通过激光振镜按照预设线排轨迹进行精确的逐线扫描，从而使聚焦于纤芯位置的激光光束对光纤进行刻写，以形成光纤光栅。本申请中激光光束的作用区域始终在光纤纤芯上，采用激光振镜进行逐线扫描的方式可以使精准的对光纤纤芯进行刻写，并且在对光纤纤芯进行精确刻写的过程中无需对光纤进行移动，从而降低对设备精确度的要求，降低光纤光栅的制作成本和难度，提高了成栅质量。

请参照图3-图7，在上述实施例的基础上：

作为一个优选的实施例，该装置还包括平顶光束整形器26，激光器21发射的激光光束经过平顶光束整形器26射入至激光振镜22的入射端。

可以理解的是，为了降低激光光束空间强度分布不均匀对光栅成栅质量造成影响，本发明实施例中可以通过平顶光束整形器26将激光器21发射的激光光束进行整形处理，从而将高斯光整形为平顶光，使激光光束空间强度分布均匀化，从而提高成栅质量。

作为一个优选的实施例，平顶光束整形器26包括开普勒型非球面模组、第一定倍扩束镜模组和第二定倍扩束镜模组；激光器21发射的激光光束依次通过开普勒型非球面模组、第一定倍扩束镜模组和第二定倍扩束镜模组后射入至激光振镜22的入射端。

需要说明的是，本发明实施例中的开普勒型非球面模组可以将准直的单模高斯光束整形为平顶光束，并且为了得到光束质量较好的、能够远场传播的平顶光，可以利用第一定倍扩束镜模组对经开普勒型非球面模组处理后的平顶光束进行处理，并且经第一定倍扩束镜模组处理后的平顶光束传播一定距离后，再利用第二定倍扩束模组进行缩束，从而得到光强分布较均匀的平顶光束。

当然，本发明实施例所提供的平顶光束整形器26中开普勒型非球面模组、第一定倍扩束镜模组和第二定倍扩束镜模组不仅限于上述顺序进行排列，也可以将第一定倍扩束镜模组和第二定倍扩束镜模组调整至开普勒型非球面模组之前。另外，本申请中的平顶光束整形器26也不仅限于由上述几种结构组成，还可以为其他的具体结构，对此本申请不做特殊限定，只要能将激光器21发射的高斯光束转换为光强分布均匀的平顶光束即可。

作为一个优选的实施例，在平顶光束整形器26和激光振镜22之间还包括第一反射镜27、衰减片28和第二反射镜29，平顶光束整形器26射出的激光光束依次经过第一反射镜27、衰减片28和第二反射镜29后射入至激光振镜22的入射端。

具体的，为了减弱激光光束的能量进一步提高成栅质量，可以通过衰减模组对激光光束的能量进行衰减，本发明实施例中具体的可以使经平顶光束整形器26处理后的激光光束通过第一反射镜27、衰减片28和第二反射镜29后射入至激光振镜22中，以便激光振镜22依据控制系统25发送的控制信号进行逐线扫描以对光纤的纤芯进行刻写光栅时，提高成栅质量。

当然，本申请中的衰减模组不仅限于包括上述第一反射镜27、衰减片28和第二反射镜29，也可以为其他器件组成的衰减模组，本申请对此不作限定。

作为一个优选的实施例，该装置还包括介质层30，激光光束在经过物镜23后通过介质层30聚焦于光纤的纤芯位置，介质层30与激光光束的接触面为平面，介质层30的折射率与光纤包层的折射率之差小于预设值。

需要说明的是，由于聚焦的激光光束需要通过光纤的包层对纤芯进行刻写，当聚焦的激光光束直接入射至光纤上时，由于光纤是圆柱形的，所以会产生柱透镜效应，由柱透镜焦点公式f＝r/2，可知非垂直照射方向的光束会在光纤内部聚焦于半径的r/2位置(请参照图4)，并非聚焦于光纤的中心，又由于聚焦后的光斑能量加大，可能会烧损光纤，影响成栅质量，因此，为了进一步提高成栅质量，降低柱透镜效应，本发明实施例中设置介质层30，使激光光束通过介质层30入射至光纤上，并聚焦于光纤的纤芯位置。

具体的请参照图5，本发明实施例中的介质层30的折射率与光纤包层的折射率相近，两者之差小于预设值，并且激光光束在介质层30的入射面为平面，也即介质层30与激光光束接触的表面为平面，激光光束通过介质层30聚焦于光纤的纤芯位置，在一定程度上可以改善柱透镜效应，以保障成栅质量。

进一步的，介质层30包括毛细管301和浸液层302，光纤穿过毛细管301的孔道后固定于加工平台24上，浸液层302位于光纤外壁与孔道内壁之间；毛细管301中与激光光束接触的外表面为平面。

具体的请参照图6和图7，毛细管301和浸液层302的折射率均与光纤包层的折射率相同或相近，并且毛细管301预先可以通过毛细作用进行浸液，将剥除涂覆层的光纤插入到浸液后的毛细管301(浸液后的毛细管301包括浸液层302)中，并通过毛细管301的孔道后将光纤两端固定在加工平台上。毛细管301的上表面为平面，或毛细管301的各个表面均为平面，当激光光束入射至毛细管301表面后，几乎无偏折的射入纤芯，从而减小柱透镜效应的影响，更好的确保成栅质量。

进一步的，介质层30包括玻璃管，光纤穿过玻璃管的孔道后固定于加工平台24上，玻璃管的孔道半径与光纤半径相同；玻璃管中与激光光束接触的外表面为平面。

需要说明的是，本发明实施例中的介质层30还可以包括玻璃管，玻璃的折射率与光纤包层的折射率相近。该玻璃管的孔道半径的大小可以与剥除涂覆层的光纤半径的大小相等，从而可以是光纤穿过玻璃管的孔道后使光纤的表面与玻璃管孔道的内表面接触，可以使激光光束经过玻璃管的管壁后直接入射至光纤上，中间不经过其他介质，以免再次发射折射，并且玻璃管中与激光光束接触的外表面为平面，从而减小柱透镜效应对成栅质量的影响。当然，玻璃管的其他外表面也可以为平面，具体不限。

当然，本申请中的介质层30还可以为液体介质层，具体的可以直接将光纤浸在与光纤具有相同或相近折射率的液体里，并使激光光束通过液体入射并聚焦于光纤的纤芯位置，由于液体表面为平面，且液体包裹着光纤，所以也可以减少柱透镜效应对成栅质量的影响。

另外，本申请中的介质层30还可以为其他结构的介质层，具体不限，能实现本发明实施例的目的即可。

作为一个优选的实施例，物镜23为油浸显微物镜。

需要说明的是，为了提高激光光束的聚焦效果本发明实施例中的物镜23优选为油浸显微物镜，当然，也可以采用其他的物镜23来提高激光光束的聚焦效果，具体采用哪种物镜，本发明实施例对此不做特殊的限定，能实现本发明实施例的目的即可。

另外，由于远心场镜可以使激光光束聚焦后更加垂直，并且沿光束边缘无偏移现象，可以提高激光光束质量，所以本申请中还可以采用远心场镜代替物镜23。

作为一个优选的实施例，激光器21为皮秒激光器。

可以理解的是，由于短脉冲皮秒激光只需要少量能量即可产生光分解所用的强度，使沉积到材料中的能量较小，能够更加精确的切除材料或对材料进行改性，并且能够降低常规激光热效应对材料带来的烧灼现象，所以为了进一步提高成栅质量，本发明实施例中的激光器21优选为皮秒激光器。

当然，本申请中的激光器21还可以为绿光激光器、飞秒激光器或其他类型的激光器，具体采用哪种激光器，本申请对此不作特殊的限定，能实现本发明实施例的目的即可。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种激光加工系统，包括如上述的激光加工装置。

需要说明的是，本发明实施例在使用过程中降低了对设备精确度的要求，从而降低光纤光栅的制作成本和难度，提高了成栅质量。

另外，对于本发明实施例中所涉及到的激光加工装置的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不做赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种激光加工装置，其特征在于，包括激光器、激光振镜、物镜、用于固定光纤的加工平台及控制系统，其中：

所述激光器用于发射激光光束；所述激光光束依次通过所述激光振镜和所述物镜后聚焦于固定在所述加工平台上的待加工物体的预设位置；所述控制系统用于将预设线排轨迹定位至所述待加工物体的预设位置，并依据与所述预设线排轨迹相应的轨迹信息生成控制信号，所述激光振镜依据所述控制信号进行逐线扫描，使聚焦于所述预设位置的激光光束对所述待加工物体进行刻写，以形成相应的光栅；其中，所述待加工物体为光纤，所述预设位置为纤芯位置。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括平顶光束整形器，所述激光器发射的激光光束经过所述平顶光束整形器射入至所述激光振镜的入射端。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述平顶光束整形器包括开普勒型非球面模组、第一定倍扩束镜模组和第二定倍扩束镜模组；所述激光器发射的激光光束依次通过所述开普勒型非球面模组、所述第一定倍扩束镜模组和所述第二定倍扩束镜模组后射入至所述激光振镜的入射端。

4.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，在所述平顶光束整形器和所述激光振镜之间还包括第一反射镜、衰减片和第二反射镜，所述平顶光束整形器射出的激光光束依次经过所述第一反射镜、所述衰减片和所述第二反射镜后射入至所述激光振镜的入射端。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的激光加工装置，其特征在于，还包括介质层，所述激光光束在经过物镜后通过所述介质层聚焦于所述光纤的纤芯位置，所述介质层与所述激光光束的接触面为平面，所述介质层的折射率与所述光纤包层的折射率之差小于预设值。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述介质层包括毛细管和浸液层，所述光纤穿过所述毛细管的孔道后固定于所述加工平台上，所述浸液层位于所述光纤外壁与所述孔道内壁之间；所述毛细管中与所述激光光束接触的外表面为平面。

7.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述介质层包括玻璃管，所述光纤穿过所述玻璃管的孔道后固定于所述加工平台上，所述玻璃管的孔道半径与所述光纤半径相同；所述玻璃管中与所述激光光束接触的外表面为平面。

8.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述物镜为油浸显微物镜。

9.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光器为皮秒激光器。

10.一种激光加工系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光加工装置。