CN112059404B - 一种超细单晶光纤包层加工方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤包层加工方法，具体涉及一种超细单晶光纤包层加工方法及系统。解决目前制备单晶光纤包层的方法存在的工艺路线复杂、效率低、重复性差及精度差等问题，方法包括：仿真，获得微结构的直径以及微结构的深度；确定光学系统理论聚焦光斑直径；将激光光束整形为贝塞尔光束；对贝塞尔光束进行空间裁剪；确定微结构制造焦深h；将光纤分段；调整焦距，在光纤表面加工微结构；系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置。本发明将光纤分段，每一段对应不同的焦距，通过在线调整焦距实现各段光纤的加工，具有高的加工精度。

Description

一种超细单晶光纤包层加工方法及系统
技术领域
本发明涉及一种光纤包层加工方法，具体涉及一种超细单晶光纤包层加工方法。
背景技术
光纤包层的意义在于其可以通过降低光纤外部的折射率实现光纤内部光束的全反射，提高光波导效率。玻璃光纤在光纤外部制备有与纤芯具有折射率差值的二氧化硅包层，可以实现全反射从而获得高效光波导。但单晶光纤是一种新型的一维功能晶体材料，它拥有玻璃光纤的高长径比和大比表面积特点，具有散热好、效率高、热管理简单等优势。传统的二氧化硅包层虽然可以实现单晶光纤表面包覆，但是光纤包层与纤芯折射率以及热学性质相差较大，光纤内部会出现严重的热效应，极大程度上降低了光纤的传输效率与使用寿命，因此此方法并不适用于单晶光纤。
针对单晶光纤包层目前主要的制备方法有溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法。溶胶凝胶法制备光纤包层是通过将包层材料的前驱体溶液涂覆到晶体光纤表面，通过高温烧结形成致密的晶态包层，该方法成本低，操作简便，但包层均匀性及包层制备效率较低。磁控溅射法是将处理后的光纤放置在沉积室中，同时使用多个高纯度溅射靶来提高包层速率并实现包层的均匀覆盖，制备时间会持续数百个小时，包层厚度一般为20-30nm，这一方法制备的包层致密性较好包层内部无明显的气孔等，但制备速率较慢。液相外延法是将纳米级粉末加入助熔剂中，将包层生长温度保持在900-1150℃，此种方法制备的包层厚度可以通过生长时间来进行调控，范围在1-150μm左右，包层区域受坩埚尺寸限制。离子注入法耗时时间久、工艺繁琐且离子注入不均匀导致包层均匀性较差。
因此，虽然单晶光纤拥有着优异的综合性能，但单晶光纤的全反射以及单/双包层结构加工工艺仍不成熟，成为目前制约单晶光纤激光发展的瓶颈之一。特别是在单晶光纤的包层制备环节，目前仍未获得高效高质的成熟可靠技术。
飞秒激光由于其柔性、非接触、高精密的加工属性，成为单晶光纤包层加工的可能的一种选择，但是目前采用飞秒激光进行光纤包层加工的报道还属空白，尤其针对超细光纤(最小光纤直径≤40um)，在加工包层的同时还需要预留纤芯直径，且制备的精度直接影响传输效率以及光纤的模式。
发明内容
针对目前制备单晶光纤包层的方法存在的工艺路线复杂、效率低、重复性差、精度差等问题，本发明公开了一种超细单晶光纤包层加工方法。
针对前期研究，超细光纤的激光加工主要面临两个问题：
1、高深径比加工需求与超细单晶光纤直径之间的矛盾：
根据单晶光纤包层微结构仿真需求，需要实现不同深径比的微结构加工，普通的激光高斯光斑不能实现一定深径比的微结构的加工，因此必须进行空间整形，但是针对不同直径的单晶光纤，需要加工的包层深度要求不一，且经过整形的贝塞尔光束的焦深一般均在百微米以上，对于超细直径单晶光纤直径制备，容易将单晶光纤穿透或者碎裂。
并且贝塞尔光束的光场分布如图2a，其两端的光能量分布较中间较弱，在实际加工中也容易制备出微结构形貌分布不均的情况，从而导致包层的效果减弱。
2、超细单晶光纤由于其直径过小，则装夹后将存在变形导致激光离焦不能实现高一致性包层微结构加工的问题。
因此，针对超细单晶光纤包层微结构加工过程中存在的微结构需要一定深径比但深径比又不能过大，否则会导致光纤加工穿透或碎裂的问题，及超细单晶光纤由于其直径过小，则装夹后将存在变形导致激光离焦不能实现高一致性包层微结构加工，导致加工晶体光纤材料容易造成材料损伤或者光纤断裂的问题，本发明采用空间整形、配合空间光斑裁剪技术实现了一种超细单晶光纤包层的加工。
本发明的技术方案是：
一种超细单晶光纤包层加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
调整变倍扩束镜的扩束倍率N，使得光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；D0为激光器出光光束直径；
步骤3、激光器出光，激光光束扩束准直后依次经过可变环形光阑及空间光调制器，将激光光束整形为贝塞尔光束；
步骤4、调整可变环形光阑的口径D，对贝塞尔光束进行空间裁剪，获得理论焦深h'，其中理论焦深h'大于等于步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的深度；
步骤5、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径和深度是一致的；
步骤6、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤7、确定在每一段光纤表面加工微结构所需要的菲涅尔透镜全息图焦距值；定义：第一段光纤对应的焦距值为f1，第二段光纤对应的焦距值为f2，第n段光纤对应的焦距值为fn；
步骤8、在第一段光纤表面加工微结构；
将焦距值为f1的菲涅尔透镜全息图加载至空间光调制器，在第一段光纤表面加工微结构；
步骤9、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时，通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至空间光调制器，更换焦距值为f2菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤10、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤8的过程，当加工完前一段光纤时，反馈信号至空间光调制器，更换当前段光纤对应焦距值的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
进一步地，为了获得精确的微结构制造可调整范围h，步骤5具体包括以下过程：
步骤5.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤5.2、然后调整场镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤5.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整场镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的场镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤5.4；
步骤5.4、减小场镜沿Z方向移动步长，重复步骤5.2至5.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
进一步地，步骤7具体为：依次测量每一段待加工光纤表面与空间光调制器后表面的距离，获得每一段光纤表面加工微结构所需要的菲涅尔透镜全息图焦距值。
本发明还提供另一种超细单晶光纤包层加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
调整变倍扩束镜的扩束倍率N，使得光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；D0为激光器出光光束直径；
步骤3、激光器出光，激光光束扩束准直后依次经过可变环形光阑及空间光调制器，将激光光束整形为贝塞尔光束；
步骤4、调整可变环形光阑的口径D，对贝塞尔光束进行空间裁剪；获得理论焦深h'，其中理论焦深h'大于等于步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的深度；
步骤5、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径和深度是一致的；
步骤6、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤7、在第一段光纤表面加工微结构；
将变倍扩束镜的扩束倍率调整为N，束散角度数调整为ω1，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，在第一段光纤表面加工微结构；
步骤8、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时，通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至变倍扩束镜，将其束散角度数调整为ω2，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤9、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤8的过程，当加工完前一段光纤时，调整变倍扩束镜的束散角度数，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
进一步地，步骤5具体包括以下过程：
步骤5.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤5.2、然后调整场镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤5.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整场镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的场镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤5.4；
步骤5.4、减小场镜沿Z方向移动步长，重复步骤5.2至5.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
本发明还提供一种可实现上述方法的超细单晶光纤包层加工系统，其特殊之处在于：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；激光测距\自动对焦装置用于测量光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离；
激光器的出射激光，经变倍扩束镜扩束后，通过可变环形光阑进入SLM空间光调制器，SLM空间光调制器将激光调整为贝塞尔光束，后利用可变环形光阑在线对贝塞尔光束进行裁剪，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面。
本发明还提供另一种超细单晶光纤包层加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D与理论焦深h'；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
步骤2.1、通过变倍扩束镜调整光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
步骤2.2、计算变倍扩束镜的扩束倍率N；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径，D0为激光器出光光束直径；
步骤2.3、确定该光学系统的理论焦深h'；
Figure BDA0002669450100000071
其中f为显微物镜焦距，λ为激光波长，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；K为固定的影响因子；
步骤3、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径和深度是一致的；
步骤4、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤5、在第一段光纤表面加工微结构；
将变倍扩束镜的扩束倍率调整为N，束散角度数调整为ω1，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，在第一段光纤表面加工微结构；
步骤6、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时：
通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至变倍扩束镜，将其束散角度数调整为ω2，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤7、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤6的过程，当加工完前一段光纤时，调整变倍扩束镜的束散角度数，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
进一步地，步骤3具体包括以下过程：
步骤3.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤3.2、然后调整场镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤3.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整场镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的场镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤3.4；
步骤3.4、减小场镜沿Z方向移动步长，重复步骤3.2至3.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
本发明还提供一种可实现上述方法的超细单晶光纤包层加工系统，其特殊之处在于：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；激光测距\自动对焦装置用于测量光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离；
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜，调整光束的直径，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面。
本发明还提供另一种超细单晶光纤包层加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D与理论焦深h'；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
步骤2.1、通过变倍扩束镜调整光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
步骤2.2、计算变倍扩束镜的扩束倍率N；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径，D0为激光器出光光束直径；
步骤2.3、确定该光学系统的理论焦深h'；
Figure BDA0002669450100000091
其中f为显微物镜焦距，λ为激光波长，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；K为固定的影响因子；
步骤3、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径和深度是一致的；
步骤4、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤5、在第一段光纤表面加工微结构；
采用空间光调制器，通过加载焦距值为f1的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，进行出光加工；
步骤6、在第二段光纤表面加工微结构；
通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至空间光调制器，更换焦距值为f2菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤7、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤6的过程，当加工完前一段光纤时，更换当前段光纤对应焦距值的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
进一步地，步骤3具体包括以下过程：
步骤3.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤3.2、然后调整场镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤3.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整场镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的场镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤3.4；
步骤3.4、减小场镜沿Z方向移动步长，重复步骤3.2至3.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
本发明还提供一种可实现上述方法的超细单晶光纤包层加工系统，其特征在于：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；激光测距\自动对焦装置用于测量光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离；
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜，调整光束的直径，进入SLM空间光调制器，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面。
本发明的有益效果是：
1、本发明将光纤分段，每一段对应不同的焦距，通过在空间光调制器加载不同焦距的菲涅尔透镜全息图或通过改变变倍扩束镜的束散角度在线实现各段光纤的加工，克服变形导致的离焦加工问题。
2、本发明针对阵列微结构高深径比加工需求与超细光纤直径之间的矛盾，通过空间光调制器将加工光束调整为贝塞尔光束，并可以根据光纤的具体直径大小，通过可变环形光阑在线灵活的对贝塞尔光束进行一定的裁剪，产生满足阵列微结构制备需求的光束，进一步提高了其阵列微结构的制造精度。
3、本发明还可以通过变倍扩束镜以及空间光调制器可以实现不同贝塞尔长度的激光整形；变倍扩束的作用是，根据业内激光系统焦深的计算公式，激光的直径改变，则会改变激光系统的理论焦深，激光系统的理论焦深与实际加工的制造焦深之间存在一定的正比例关系，即理论焦深越长，则制造焦深也越长，因此，变倍扩束镜可以通过改变扩束倍率的大小，改变系统的理论焦深，进而改变系统的制造焦深值。此外，一般的变倍扩束镜具有一定的束散角可调节功能，束散角的调节，即将正常的平行光束改变为具有汇聚或者发散角度的光束，则改变了激光焦点的焦面位置，因此，在分段加工的过程中，通过调节变倍扩束镜的束散角实现调节激光焦点位置，代替空间光调制器加载不同菲涅尔全息图的功能。
附图说明
图1为本发明实施例一与实施例二所采用的激光加工系统示意图；
1-激光器，2-变倍扩束镜，3-可变环形光阑，4-空间光调制器，5-反射镜，6-显微物镜，7-激光测距\自动对焦装置；
图2为通过可变环形光阑裁剪过的贝塞尔光束光强分布对比图，其中a为未裁剪过得贝塞尔光束光强分布，b为通过可变环形光阑裁剪过得贝塞尔光束光强分布；
图3为光纤分段原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例一
本实施例一所采用的激光加工系统如图1所示，主要包括激光器1及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜2、可变环形光阑3、空间光调制器4、反射镜5及聚焦显微物镜6，还包括激光测距\自动对焦装置7。
激光器1的出射激光，经过变倍扩束镜2扩束准直后，经过可变环形光阑3进入SLM空间光调制器4，SLM空间光调制器4将激光调整为贝塞尔光束，通过可变环形光阑3在线灵活的对贝塞尔光束进行一定的裁剪，经反射镜5反射至聚焦显微物镜6，经聚焦显微物镜6将加工光束聚焦至工作面，实现加工。
本实施例适合光纤规则变形情况，如一种可以是由于重力作用光纤中心下沉，两边较高。另一种受加持方式的影响，一边高一边低，及可以是递增数列式的变形，也可以是递减数列式的变形。
具体加工方法如下：
(1)进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的深径比，即获得加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
(2)调整变倍扩束镜的扩束倍率N，使得光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；D0为激光器出光光束直径。
(3)激光器的出射光束依次经过变倍扩束镜、可变环形光阑后通过空间光调制器将激光光束整形为贝塞尔光束。
(4)根据步骤(1)得到的加工目标光纤包层微结构所要求的深径比，通过可变环形光阑对贝塞尔光束进行空间裁剪，滤除激光边缘的杂散光光束，保留位于中心的激光加工光束，获得光学系统理论焦深h'。
如图2所示，首先经过整形后的贝塞尔光束前后两端能量较弱，见图2中a，不利于微结构加工，裁剪后改善了两端能量的分布。可变环形光阑可以进行口径调节，通过口径调节就可以改变裁剪后贝塞尔光束的长度(图2中b，虚线框内为通过可变环形光阑裁剪过的贝塞尔光束光强分布)。此外，由于超细光纤直径约在40微米-100微米左右，一般的贝塞尔整形的长焦深焦距都会较长，在百微米以上，那么焦深过长对于过细的光纤来加工时，就有可能存在将光纤打穿的弊端。因此环形可变光阑通过一定的裁剪，也有利于超细光纤的表面加工。
(5)进行工艺试验，确定微结构制造可调整范围h。
为实现加工大深径比的微结构，一般需将高斯光斑整形为具有长焦深的贝塞尔光束，但是由于透明介质具有透光性，在加工时，需要确定加工光束在焦深为h'的情况下，焦面在Z方向上下调节范围多大时，调节前后所加工的一个微结构的孔径和深度等结构是一致的。
可以将h理解为微结构的制造焦深，此处制造焦深与光学系统理论焦深不同，理论焦深与实际制造焦深值是有区别的，所谓的制造焦深，就是焦面在Z方向上下移动一个距离，在这个距离内其制造的微结构的尺寸大小、深度等结构特征完全一致。
一般通过调节系统中聚焦显微物镜在Z方向的上下距离，实现焦面在Z方向的调节；
本实施例以0.1mm为步长调整聚焦显微物镜沿Z方向的移动，在试片的不同位置处分别制造微结构，试片可以是平面也可以是曲面。具体过程如下：
(5.1)、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构，如圆形凹坑；
(5.2)、然后调整聚焦显微物镜沿Z方向移动设定步长，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
(5.3)、采用至少放大倍率为100倍的显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整场镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的场镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则减小场镜沿Z方向移动步长，重复步骤(5.2)至(5.3)，获得最终的微结构制造可调整范围h。
(6)采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的一系列数据l1，l2，……ln。按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段，使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h。如图3，第一段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离为l1，第二段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离为l1+h，第三段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离为l1+2h，等。
(7)确定分段后每一段光纤聚焦所需要的菲涅尔透镜全息图焦距值；具体测量从空间光调制器后表面到每一段光纤待加工表面的距离，可以定义：第一段光纤对应的焦距值为f1，第二段光纤对应的焦距值为f2，第n段光纤对应的焦距值为fn。通过更换不同焦距的菲涅尔透镜全息图，实现不同子区域激光焦点位置的调整。
(8)在第一段光纤表面加工微结构；
将焦距值为f1的菲涅尔透镜全息图加载至空间光调制器，在第一段光纤表面加工微结构；
(9)在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时，通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至空间光调制器，更换焦距值为f2菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
(10)在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤(9)的过程，当加工完前一段光纤时，反馈信号至空间光调制器，更换当前段光纤对应焦距值的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
实施例二
本实施例二所采用的激光加工系统与实施例一的相同，如图1所示，主要包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置。
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜调整光束直径后，经过可变环形光阑进入SLM空间光调制器，SLM空间光调制器将激光调整为贝塞尔光束，后通过可变环形光阑在线灵活的对贝塞尔光束进行一定的裁剪，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面，实现加工。
本实施例亦适合光纤规则变形情况，如一种可以是由于重力作用光纤中心下沉，两边较高。另一种受加持方式的影响，一边高一边低，及可以是递增数列式的变形，也可以是递减数列式的变形。
具体加工方法如下：
(1)进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的深径比。
(2)调整变倍扩束镜的扩束倍率N，使得光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；D0为激光器出光光束直径；
(3)激光器的出射光束依次经过变倍扩束镜、可变环形光阑后通过空间光调制器将激光光束整形为贝塞尔光束。
(4)根据步骤(1)得到的加工目标光纤包层微结构所要求的深径比，通过可变环形光阑对贝塞尔光束进行空间裁剪，滤除激光边缘的杂散光光束，保留位于中心的激光加工光束，获得理论焦深h'。
(5)进行工艺试验，确定微结构制造可调整范围h。
为实现加工大深径比的微结构，一般需将高斯光斑整形为具有长焦深的贝塞尔光束，但是由于透明介质具有透光性，在加工时，需要确定加工光束在焦深为h'的情况下，焦面在Z方向上下调节范围多大时，调节前后所加工的一个微结构的孔径和深度等结构是一致的。
可以将h理解为微结构的制造焦深，此处制造焦深与光学系统理论焦深不同，理论焦深与实际制造焦深值是有区别的，所谓的制造焦深，就是焦面在Z方向上下移动一个距离，在这个距离内其制造的微结构的尺寸大小、深度等结构特征完全一致。
一般通过调节系统中聚焦显微物镜在Z方向的上下距离，实现焦面在Z方向的调节；
本实施例以0.1mm为步长调整聚焦显微物镜沿Z方向的移动，在试片的不同位置处分别制造微结构，试片可以是平面也可以是曲面。具体过程如下：
(5.1)、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构，如圆形凹坑；
(5.2)、然后调整聚焦显微物镜沿Z方向移动设定步长，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
(5.3)、采用至少放大倍率为100倍的显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整场镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的场镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则减小场镜沿Z方向移动步长，重复步骤(5.2)至(5.3)，获得最终的微结构制造可调整范围h。
(6)采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的一系列数据l1，l2，……ln。按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段，如图3所示，使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h。如图3，第一段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离为l1，第二段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离为l1+h，第三段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离为l1+2h，等。
(7)在第一段光纤表面加工微结构；
变倍扩束镜可以通过改变扩束倍率的大小，改变系统的理论焦斑。此外，一般的变倍扩束镜具有一定的束散角可调节功能，束散角的调节，即将正常的平行光束改变为具有汇聚或者发散角度的光束，则改变了激光焦点的焦面位置，因此，在分段加工的过程中，本实施例通过调节变倍扩束镜的束散角实现调节激光焦点位置，代替空间光调制器加载不同菲涅尔全息图的功能。
因此，在第一段光纤表面加工微结构时，将变倍扩束镜的扩束倍率调整为N，束散角度数调整为ω1，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，在第一段光纤表面加工微结构。
(8)在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时，通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至变倍扩束镜，将其束散角度数调整为ω2，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
(9)在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤8的过程，当加工完前一段光纤时，调整变倍扩束镜的束散角度数，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
实施例三
本实施例二所采用的激光加工系统与实施例一不同的是，本实施例的激光加工系统不包括可变环形光阑与空间光调制器。包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置。
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜调整光束直径后，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面，实现加工。
本实施例亦适合光纤规则变形情况，如一种可以是由于重力作用光纤中心下沉，两边较高。另一种受加持方式的影响，一边高一边低，及可以是递增数列式的变形，也可以是递减数列式的变形。
与实施例一和实施例二不同的是，本实施例不需要将激光光束整形为贝塞尔光束，利用非贝塞尔光束也可实现光纤包层微结构加工，具体加工方法如下：
(1)、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
(2)、确定光学系统理论聚焦光斑直径D与理论焦深h'；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
(2.1)、通过变倍扩束镜调整光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤(1)得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
(2.2)、计算变倍扩束镜的扩束倍率N；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径，D0为激光器出光光束直径；
(2.3)、确定该光学系统的理论焦深h'；
Figure BDA0002669450100000181
其中f为显微物镜焦距，λ为激光波长，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；K为固定的影响因子；
(3)、利用上述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径和深度是一致的；具体方法同实施例一。
(4)、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
(5)、在第一段光纤表面加工微结构；
将变倍扩束镜的扩束倍率调整为N，束散角度数调整为ω1，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，在第一段光纤表面加工微结构；
(6)、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时：
通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至变倍扩束镜，将其束散角度数调整为ω2，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
(7)、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤6的过程，当加工完前一段光纤时，调整变倍扩束镜的束散角度数，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
实施例四
本实施例所采用的激光加工系统与实施例一不同的是，本实施例激光加工系统不包括可变环形光阑，包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置。
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜调整光束直径后，进入SLM空间光调制器，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面，实现加工。
本实施例亦适合光纤规则变形情况，如一种可以是由于重力作用光纤中心下沉，两边较高。另一种受加持方式的影响，一边高一边低，及可以是递增数列式的变形，也可以是递减数列式的变形。
与实施例三不同的是，本实施例通过在空间光调制器加载不同焦距值的菲涅尔透镜全息图，实现不同段光纤表面微结构的加工。
具体加工方法如下：
(1)、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度。
(2)、确定光学系统理论聚焦光斑直径D与理论焦深h'；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
(2.1)、通过变倍扩束镜调整光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤(1)得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
(2.2)、计算变倍扩束镜的扩束倍率N；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径，D0为激光器出光光束直径；
(2.3)、确定该光学系统的理论焦深h'；
Figure BDA0002669450100000191
其中f为显微物镜焦距，λ为激光波长，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；K为固定的影响因子。
(3)、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径和深度是一致的；具体步骤同上述实施例。
(4)、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h。
(5)、在第一段光纤表面加工微结构；
采用空间光调制器，通过加载焦距值为f1的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，进行出光加工。
(6)、在第二段光纤表面加工微结构；
通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至空间光调制器，更换焦距值为f2菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工。
(7)、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤(6)的过程，当加工完前一段光纤时，更换当前段光纤对应焦距值的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。

Claims (12)

1.一种超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
调整变倍扩束镜的扩束倍率N，使得光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；D0为激光器出光光束直径；
步骤3、激光器出光，激光光束扩束准直后依次经过可变环形光阑及空间光调制器，将激光光束整形为贝塞尔光束；
步骤4、调整可变环形光阑的口径D，对贝塞尔光束进行空间裁剪，获得理论焦深h'，其中理论焦深h'大于等于步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的深度；
步骤5、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径保持一致，所加工的微结构的深度保持一致；
步骤6、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤7、确定在每一段光纤表面加工微结构所需要的菲涅尔透镜全息图焦距值；定义：第一段光纤对应的焦距值为f1，第二段光纤对应的焦距值为f2，第n段光纤对应的焦距值为fn；
步骤8、在第一段光纤表面加工微结构；
将焦距值为f1的菲涅尔透镜全息图加载至空间光调制器，在第一段光纤表面加工微结构；
步骤9、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时，通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至空间光调制器，更换焦距值为f2菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤10、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤9的过程，当加工完前一段光纤时，反馈信号至空间光调制器，更换当前段光纤对应焦距值的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
2.根据权利要求1所述的超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，步骤5具体包括以下过程：
步骤5.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤5.2、然后调整聚焦显微物镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤5.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整聚焦显微物镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的聚焦显微物镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤5.4；
步骤5.4、减小聚焦显微物镜沿Z方向移动步长，重复步骤5.2至5.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
3.根据权利要求2所述的超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，步骤7具体为：依次测量每一段待加工光纤表面与空间光调制器后表面的距离，获得每一段光纤表面加工微结构所需要的菲涅尔透镜全息图焦距值。
4.一种超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
调整变倍扩束镜的扩束倍率N，使得光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；D0为激光器出光光束直径；
步骤3、激光器出光，激光光束扩束准直后依次经过可变环形光阑及空间光调制器，将激光光束整形为贝塞尔光束；
步骤4、调整可变环形光阑的口径D，对贝塞尔光束进行空间裁剪；获得理论焦深h'，其中理论焦深h'大于等于步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的深度；
步骤5、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径保持一致，所加工的微结构的深度保持一致；步骤6、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤7、在第一段光纤表面加工微结构；
将变倍扩束镜的扩束倍率调整为N，束散角度数调整为ω1，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，在第一段光纤表面加工微结构；
步骤8、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时，通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至变倍扩束镜，将其束散角度数调整为ω2，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤9、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤8的过程，当加工完前一段光纤时，调整变倍扩束镜的束散角度数，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
5.根据权利要求4所述的超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，步骤5具体包括以下过程：
步骤5.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤5.2、然后调整聚焦显微物镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤5.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整聚焦显微物镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的聚焦显微物镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤5.4；
步骤5.4、减小聚焦显微物镜沿Z方向移动步长，重复步骤5.2至5.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
6.一种可实现权利要求1-5任一所述方法的超细单晶光纤包层加工系统，其特征在于：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变环形光阑、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；激光测距\自动对焦装置用于测量光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离；
激光器的出射激光，经变倍扩束镜扩束后，通过可变环形光阑进入空间光调制器，空间光调制器将激光调整为贝塞尔光束，后利用可变环形光阑在线对贝塞尔光束进行裁剪，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面。
7.一种超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D与理论焦深h'；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
步骤2.1、通过变倍扩束镜调整光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
步骤2.2、计算变倍扩束镜的扩束倍率N；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径，D0为激光器出光光束直径；
步骤2.3、确定该光学系统的理论焦深h'；
Figure FDA0003039940310000051
r＝ND'/2，
其中f为显微物镜焦距，λ为激光波长，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；K为固定的影响因子；
步骤3、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径保持一致，所加工的微结构的深度保持一致；步骤4、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤5、在第一段光纤表面加工微结构；
将变倍扩束镜的扩束倍率调整为N，束散角度数调整为ω1，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，在第一段光纤表面加工微结构；
步骤6、在第二段光纤表面加工微结构；
当激光加工完第一段光纤时：
通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至变倍扩束镜，将其束散角度数调整为ω2，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤7、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤6的过程，当加工完前一段光纤时，调整变倍扩束镜的束散角度数，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
8.根据权利要求7所述的超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，步骤3具体包括以下过程：
步骤3.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤3.2、然后调整聚焦显微物镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤3.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整聚焦显微物镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的聚焦显微物镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤3.4；
步骤3.4、减小聚焦显微物镜沿Z方向移动步长，重复步骤3.2至3.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
9.一种可实现权利要求7-8任一所述方法的超细单晶光纤包层加工系统，其特征在于：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；激光测距\自动对焦装置用于测量光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离；
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜，调整光束的直径，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面。
10.一种超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、进行仿真实验，得到加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径以及微结构的深度；
步骤2、确定光学系统理论聚焦光斑直径D与理论焦深h'；
光学系统包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；
步骤2.1、通过变倍扩束镜调整光学系统的理论聚焦光斑直径D与步骤1得到的加工目标光纤包层微结构所要求的微结构的直径相等；
步骤2.2、计算变倍扩束镜的扩束倍率N；
D＝1.22λf/D′，D′＝ND0
其中D为光学系统的理论聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为显微物镜焦距，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径，D0为激光器出光光束直径；
步骤2.3、确定该光学系统的理论焦深h'；
Figure FDA0003039940310000071
r＝ND'/2，
其中f为显微物镜焦距，λ为激光波长，D′为经变倍扩束镜扩束后的激光光束直径；K为固定的影响因子；
步骤3、利用所述光学系统，进行工艺试验，确定在理论焦深h'下的微结构制造焦深h，所述制造焦深就是激光聚焦位置在h的范围内变化时，所加工的微结构的直径保持一致，所加工的微结构的深度保持一致；步骤4、采用激光测距\自动对焦装置沿光纤长度方向进行扫描，获得光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离l1，l2，……ln；
按照ln-l1＝(n-1)h，将光纤分段；使得相邻两段光纤与激光测距\自动对焦装置的距离相差h；
步骤5、在第一段光纤表面加工微结构；
采用空间光调制器，通过加载焦距值为f1的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第一段光纤表面，进行出光加工；
步骤6、在第二段光纤表面加工微结构；
通过激光测距\自动对焦装置测量发现光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离改变量为h时，反馈信号至空间光调制器，更换焦距值为f2菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至第二段光纤表面，激光在此过程持续出光加工；
步骤7、在第三段至第n段光纤表面加工微结构；
重复步骤6的过程，当加工完前一段光纤时，更换当前段光纤对应焦距值的菲涅尔透镜全息图，将激光的焦面调整至当前段光纤表面，激光在此过程持续出光加工，加工完成。
11.根据权利要求10所述的超细单晶光纤包层加工方法，其特征在于，步骤3具体包括以下过程：
步骤3.1、首先在焦深为h'时，在试片上打一个微结构；
步骤3.2、然后调整聚焦显微物镜以固定步长沿Z方向移动，沿XY平面移动试片至另一位置，再打一个微结构；
步骤3.3、采用显微镜进行测量及观察：
如若不同位置处的微结构制造直径、深度一致，则按照设定步长依次调整聚焦显微物镜沿Z方向移动n次，当第n次移动后，不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则将第n-1次对应的聚焦显微物镜沿Z方向移动距离作为微结构制造可调整范围h；
如若不同位置处的微结构制造直径、深度不一致，则执行步骤3.4；
步骤3.4、减小聚焦显微物镜沿Z方向移动步长，重复步骤3.2至3.3，获得最终的微结构制造可调整范围h。
12.一种可实现权利要求10-11任一所述方法的超细单晶光纤包层加工系统，其特征在于：包括激光器及依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、空间光调制器、反射镜及聚焦显微物镜，还包括激光测距\自动对焦装置；激光测距\自动对焦装置用于测量光纤表面与激光测距\自动对焦装置之间的距离；
激光器的出射激光，经过变倍扩束镜，调整光束的直径，进入空间光调制器，经反射镜反射至聚焦显微物镜，经聚焦显微物镜将加工光束聚焦至工作面。
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