CN112171384B - 一种百微米直径单晶光纤的抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种百微米直径单晶光纤的抛光方法。所述抛光方法包括以下步骤：（1）通过激光加热基座法制备单晶光纤；（2）将步骤（1）所得单晶光纤进行切割；（3）将石英玻璃切割成直条状并将直条状石英玻璃端面的棱角研磨至45°；然后将多根直条状石英玻璃粘结以形成包含至少一个具有两个直角部的U形承载体的模具，每个直角部具有45°夹角槽；（4）将步骤（2）切割后的单晶光纤置于所述45°夹角槽并用粘结剂将其固定；（5）对固定的单晶光纤的两端面依次粗磨、细磨和精磨；（6）抛光完成后，将模具与单晶光纤分离，获得端面呈激光级抛光的单晶光纤。本发明解决了现有抛光方法难以实现百微米直径单晶光纤抛光的问题。

Description

一种百微米直径单晶光纤的抛光方法

技术领域

本发明属于晶体加工领域，特别涉及一种百微米直径单晶光纤的抛光方法。

背景技术

单晶光纤由单晶材料制成，是介于传统固体激光器所使用的块体晶体与光纤激光器所用的玻璃光纤之间的新型増益介质，属于新型高性能光学纤维。单晶光纤不仅具有单晶材料的化学和物理特性，而且具有光纤的抗电磁干扰、传光性好、体积小、重量轻等优点。基于此，单晶光纤综合了单晶优良的光学、热学性能，以及光纤独特的尺寸优势。

目前不同晶体材质的单晶光纤已广泛应用于各个不同领域，如光纤激光器、高温探测器、晶体倍频器、红外激光传导等。其中蓝宝石单晶光纤因其具有耐高温的特点，适合作为高温环境下的光波导材料，且其在红外波段具有较好的透射性以及优于石英光纤的红外热辐射信号传导能力，在近红外监测和光纤高温传感领域已经具有一定的应用。YAG单晶光纤以其比传统石英光纤具有更高的熔点和机械强度、更高的热导率及稀土离子掺杂浓度、更低的非线性效应、理论单模输出极限是石英光纤的100倍以上等优点，成为当下光纤激光器的研究热点之一，且已有Yb：YAG光纤激光器获得的251W连续波输出功率的相关报道。

单晶光纤在线性和非线性光学器件中获得广泛应用的同时，除要求其光纤质量外对其端面抛光也有较高的要求。块状晶体因其强度以及体积优势现已较容易达到激光级抛光。与块状晶体相比，百微米直径单晶光纤的直径较小强度较低，因此利用块状晶体的抛光方法进行百微米直径单晶光纤的抛光时，存在不易夹持以及抛光过程中易折断的问题。为解决这一困难，制备特定的抛光模具进行抛光是一种良好的解决方案。

发明内容

单晶光纤与其他类型材质的光纤如玻璃光纤或有机光纤相比存在韧性上的不足，因此若直接抛光容易造成折断。本发明的目的是解决现有抛光方法难以实现百微米直径单晶光纤抛光的问题。为达到上述目的，本发明提供了一种百微米直径单晶光纤的抛光方法，通过该方法可以对百微米直径单晶光纤进行激光级抛光。

本发明提供的所述百微米直径单晶光纤的抛光方法包括以下步骤：

(1)通过激光加热基座法制备直径100～1000μm的单晶光纤；

(2)将步骤(1)所得单晶光纤进行切割使得切割后单晶光纤的长度大于抛光后所需光纤的长度1～2mm；

(3)将石英玻璃切割成直条状并将直条状石英玻璃端面的棱角研磨至45°；其中，直条状石英玻璃的长度比步骤(2)中切割后单晶光纤的长度多1～2mm；然后将多根直条状石英玻璃粘结以形成包含至少一个具有两个直角部的U形承载体的模具，每个直角部具有45°夹角槽；

(4)将步骤(2)切割后的单晶光纤置于所述45°夹角槽并用粘结剂将其固定；

(5)对固定的单晶光纤的两端面依次粗磨、细磨和精磨；

(6)抛光完成后，将固定有单晶光纤的模具放入丙酮溶液中浸泡，待模具与单晶光纤分离后取出单晶光纤，获得端面呈激光级抛光的单晶光纤。

上述抛光方法通过制造磨具，解决了直径较细的单晶光纤抛光过程中存在的难以夹持以及易折断问题，进而按激光级抛光的工艺程序进行抛光，从而达到激光级。

较佳地，步骤(2)中，所述单晶光纤的切割速度为20-30mm/min。单晶光纤切割时进刀速度应比块状晶体切割时慢，这样可以减少单晶光纤的机械损伤。

较佳地，步骤(3)中，在直条状石英玻璃端面的研磨过程中，将端面(棱角)垂直于研磨平台磨去1～2mm以去掉直角并形成45°夹角槽的倒角。将石英玻璃棱角研磨，一方面可以在石英玻璃条的粘结界面处形成凹槽，利于固定光纤，另一方面有利于抛光过程保持水平。

较佳地，步骤(4)中，在单晶光纤的整体部位均涂覆粘结剂以保证其完全固定于所述45°夹角槽。

较佳地，步骤(4)中，在每个45°夹角槽中放置一根或多根单晶光纤。

较佳地，步骤(5)中，步骤(5)中，使用目数为400-460目的金刚砂将固定有单晶光纤的模具粗磨至单晶光纤与模具端面平齐后继续抛光5～10min。这样可磨除切割过程中可能存在的机械损伤。

较佳地，步骤(5)中，步骤(5)中，使用目数为1100-1600目的细金刚砂将固定有单晶光纤的模具细磨至模具长度为所需光纤长度。

较佳地，步骤(5)中，使用研磨膏精磨至每个单晶光纤的端面精度为激光级。

较佳地，步骤(5)中，在粗磨、细磨和精磨的过程中，保持光纤垂直于抛光平台，以保证光纤端面的平整。

较佳地，步骤(6)中，所述丙酮溶液为体积分数为浓度60～90％的丙酮水溶液，所述浸泡时间是2-8h。浸泡时间以能使得模具与单晶光纤完全分离为准，浸泡时间随丙酮浓度增加而减小。

较佳地，所述单晶光纤为蓝宝石、石榴石光纤、硬度接近石英玻璃的氧化物单晶光纤中的至少一种。光纤硬度若比石英玻璃小太多，在研磨过程中容易出现玻璃已经抛光而光纤未抛光的现象。光纤硬度若比石英玻璃大太多，则研磨过程中光纤容易出现折断现象。

本发明具有以下有益效果：本发明提供的百微米直径单晶光纤的抛光方法，通过制作模具将光纤固定，解决了单晶光纤抛光过程中光纤容易折断以及固定夹持的问题；而且经丙酮溶液浸泡后可完整取出单晶光纤，进而获得端面激光级抛光的单晶光纤。通过此方法可一次抛光多根光纤，操作简单，易于加工，成功率高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施方式百微米直径单晶光纤的抛光方法流程图；

图2为一实施方式百微米直径单晶光纤的抛光方法使用的抛光模具的实物图；

图3为抛光完成后固定有单晶光纤的模具端面的实物图；

图4为抛光完成的200μm直径单晶光纤表观形貌图(a)及端面效果图(b)；

图5为没有磨去棱角前直条状石英玻璃的表观形貌图(a)及磨去棱角后直条状石英玻璃的表观形貌图(b)。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

以下示例说明本发明所述百微米直径单晶光纤的抛光方法。

通过激光加热基座法(LHPG)获得直径100～1000μm的蓝宝石或石榴石光纤或其他硬度接近石英玻璃的氧化物单晶光纤。所述的氧化物选自YAG、LuAG、Al₂O₃中的任一种。

根据所需单晶光纤的长度，按比所需光纤长度大于1～2mm将单晶光纤进行切割。切割过程中调整进刀速度以减少光纤端面的机械损伤，并保证切割出来的端面为水平端面且两个端面平行。

按比切割后单晶光纤长度大于1～2mm将石英玻璃切断成条状。将石英玻璃磨去棱角(45°磨平)以使抛光过程中保持水平，磨平棱角过程中，磨去1-2mm即可。而后用粘结剂(例如502胶水)将四块条状石英玻璃粘结成为图2所示模具。应理解，只要将多根直条状石英玻璃粘结以形成具有至少一个具有两个直角部的U形承载体的模具即可满足本发明抛光方法的需求。每个直角部具有45°夹角槽。应理解，将两根石英玻璃条粘结形成具有一个U形承载体(一个45°夹角槽)的模具，或者将五根石英玻璃条形成具有三个U形承载体(六个45°夹角槽)且槽底为同一水平面的模具，或者将六根石英玻璃条形成具有四个U形承载体(八个45°夹角槽)且槽底为同一水平面的模具等技术方案都是可行的。

将单晶光纤放入模具的45°夹角槽中，并用粘结剂(例如502胶水)固定。模具的45°夹角槽部位可只放一根光纤也可放置多根光纤。用粘结剂涂满整根光纤以将光纤牢固固定在45°夹角槽中。值得说明的是，将光纤放置在其他位置也有可能实现激光级抛光。但放置在直角部位的45°夹角槽，与放置在其他位置相比，由于放置在45°夹角槽的单晶光纤的两侧均有模具夹持，因此可以有效避免抛光过程可能出现的折断现象。另外放置光纤时要保证光纤与模具水平，这样才能保证抛光出的光纤端面为水平面。而放置在夹角位置时则比较容易保持水平。

将固定有单晶光纤的模具两端首先由粗金刚砂磨去石英玻璃模具多余的部分，而后抛光5～10min后利用蒸馏水清洗干净模具。抛光过程中应保持水平。

利用细金刚沙将清洗干净后固定有单晶光纤的模具抛光至实际所需单晶光纤长度。抛光过程中应保持水平。抛光完成后再用蒸馏水清洗干净模具。

用研磨膏抛光清洗干净后的固定有单晶光纤的模具。抛光过程中应保持水平，不断观察光纤抛光情况直至达到所需抛光程度，而后利用蒸馏水清洗干净模具。

将抛光完成清洗干净固定有单晶光纤的模具放入丙酮溶液中，浸泡至模具与光纤分离后用镊子取出单晶光纤，并用酒精将单晶光纤擦拭干净。

该方法具有操作简单，易于加工，成功率高，可一次抛光多根光纤的特点。利用本发明提供的抛光方法可以一次抛光多根直径100～1000μm的单晶光纤。

本发明所述抛光方法无需使用特定的抛光模具即可实现单晶光纤的抛光。而且，本发明的模具仅为抛光时使用，需要抛光时将玻璃片粘结成磨具即可，抛光完成后经丙酮浸泡又重新成为玻璃片。另外，该抛光模具可根据待抛光单晶光纤的长度，对石英玻璃条的长度简单调控，即可满足不同长度的单晶光纤的抛光，避免了即时更换模具的经济成本，较为方便快捷。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

通过激光加热基座法(LHPG)获得直径200μm的Nd:YAG单晶光纤，实验所需长度为40mm，因此将Nd:YAG单晶光纤切割成41mm长，共切割4根。将石英玻璃切割成长43mm宽1.5mm高0.5mm的条状。将条状石英玻璃棱角45°磨平后，用蒸馏水清洗干净。用502胶水将四块条状石英玻璃粘结成图2所示模具，将4根Nd:YAG单晶光纤分别放入模具4个45°夹角槽中，保证单晶光纤两端完全处于磨具凹槽内。而后将胶水均匀涂抹于整根光纤，使单晶光纤固定于模具。放入烘箱中烘干5min后取出。

用W40粗金刚砂(460目)水平抛光固定有Nd:YAG单晶光纤的模具两端，直至单晶光纤与模具平齐后再抛光5～10min，用蒸馏水清洗干净模具。利用W14细金刚沙(1300目)将清洗干净后的固定有Nd:YAG单晶光纤的模具水平抛光至40mm，抛光过程中应保持水平，再用蒸馏水清洗干净模具。最后用W5研磨膏(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，主要成分为立方氮化硼)水平抛光清洗干净后的固定有Nd:YAG单晶光纤的模具。抛光过程中应保持水平，不断观察光纤抛光情况直至达到激光级抛光程度，而后利用蒸馏水清洗干净模具。

将清洗干净的固定有Nd:YAG单晶光纤的模具后放入80％丙酮溶液中浸泡至光纤与模具分离。用镊子取出Nd:YAG单晶光纤并用酒精擦拭干净。得到两端面激光级抛光的Nd:YAG单晶光纤。

块状光纤通常使用牛顿环测试光纤的精度，但是该方法显然不适用于单晶光纤。通过激光试验对抛光后单晶光纤的抛光精度进行检测，具体为：根据待检测的单晶光纤形态搭建合适的腔体，选择耦合系统以及输入镜与输出镜，将抛光后的单晶光纤置于铜箔中，利用泵浦源进行泵浦，在终端光探测器得到光响应，并记录该光响应。经过测试，实施例1抛光后的Nd:YAG单晶光纤可以发出激光(或将小信号激光放大)，说明利用实施例1的抛光方法抛光后的单晶光纤品质优良，端面精度为激光级。

实施例2

通过激光加热基座法(LHPG)获得直径500μm的Nd:YAG单晶光纤，实验所需长度为40mm，因此将Nd:YAG单晶光纤切割成41mm长，共切割4根。将石英玻璃切割成长43mm宽1.5mm高0.5mm的条状。将条状石英玻璃棱角45°磨平后，用蒸馏水清洗干净。用502胶水将四块条状石英玻璃粘结成图2所示模具，将4根Nd:YAG单晶光纤分别放入模具4个45°夹角槽中，保证单晶光纤两端完全处于磨具凹槽内。而后将胶水均匀涂抹于整根光纤，使单晶光纤固定于模具。放入烘箱中烘干5min后取出。

用W40粗金刚砂水平抛光固定有Nd:YAG单晶光纤的模具两端，直至单晶光纤与模具平齐后再抛光5～10min，用蒸馏水清洗干净模具。利用W14细金刚沙将清洗干净后的固定有Nd:YAG单晶光纤的模具水平抛光至40mm，再用蒸馏水清洗干净模具。最后用W5研磨膏水平抛光清洗干净后的固定有Nd:YAG单晶光纤的模具。抛光过程中应保持水平，不断观察光纤抛光情况直至达到激光级抛光程度，而后利用蒸馏水清洗干净模具。

将清洗干净的固定有Nd:YAG单晶光纤的模具后放入80％丙酮溶液中浸泡至光纤与模具分离。用镊子取出Nd:YAG单晶光纤并用酒精擦拭干净。得到两端面激光级抛光的Nd:YAG单晶光纤。

Claims (6)

1.一种百微米直径单晶光纤的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过激光加热基座法制备直径100~1000 μm的单晶光纤；所述单晶光纤为蓝宝石、石榴石光纤、硬度接近石英玻璃的氧化物单晶光纤中的至少一种；

（2）将步骤（1）所得单晶光纤进行切割使得切割后单晶光纤的长度大于抛光后所需光纤的长度1~2 mm；所述单晶光纤的切割速度为20~30 mm/min；

（3）将石英玻璃切割成直条状并将直条状石英玻璃端面的棱角研磨至45°以使抛光过程中保持水平；其中，直条状石英玻璃的长度比步骤（2）中切割后单晶光纤的长度多1~2mm；然后将多根直条状石英玻璃粘结以形成包含至少一个具有两个直角部的U形承载体的模具，每个直角部具有45°夹角槽；在每个45°夹角槽中放置一根或多根单晶光纤；

（4）将步骤（2）切割后的单晶光纤置于所述45°夹角槽并用粘结剂将其固定，固定放置后的光纤与模具水平；

（5）对固定的单晶光纤的两端面依次粗磨、细磨和精磨；

（6）抛光完成后，将固定有单晶光纤的模具放入丙酮溶液中浸泡，待模具与单晶光纤分离后取出单晶光纤，获得抛光后的光纤端面为水平面且端面呈激光级抛光的单晶光纤。

2.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，步骤（4）中，在单晶光纤的整体部位均涂覆粘结剂以保证其完全固定于所述45°夹角槽。

3.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，步骤（5）中，使用目数为400-460目的金刚砂将固定有单晶光纤的模具粗磨至单晶光纤与模具端面平齐后继续抛光5~10 min。

4.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，步骤（5）中，使用目数为1100-1600目的细金刚砂将固定有单晶光纤的模具细磨至模具长度为所需光纤长度。

5.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，步骤（5）中，使用研磨膏精磨至单晶光纤的端面精度为激光级。

6.根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，步骤（6）中，所述丙酮溶液为体积分数60-90 %的丙酮水溶液，浸泡时间是2-8 h。

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