CN112872595A - 一种光纤端面激光抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤端面激光抛光方法，涉及光纤端面抛光技术领域。包括：步骤一、将分散的光纤粘接成束，切掉光纤束前端头胶，在端部设置封装件，并打磨光纤束端面使与封装件端面齐平；步骤二、搭建激光抛光光路，包括激光器、振镜、三维调整架；步骤三、将光纤束固定到三维调整架上，使光纤束位于振镜的出光光路上，且光纤束端面垂直于光路；步骤四、开启激光器，沿Z轴方向调节三维调整架，使光纤束端面高度位于振镜的工作平面中，直至光纤束端面上的光斑最小最亮；步骤五、设置振镜反射的激光对光纤束端面采用折线式扫描，设置激光的扫描速度v、扫描线间距d、激光功率密度P，完成光纤束端面抛光。提高光纤束端面激光抛光的操作性和效率。

Description

一种光纤端面激光抛光方法
技术领域
本发明涉及对光纤端面的激光抛光。
背景技术
在光器件的设计开发中，经常需要对光纤的端面进行抛光，使其达到一定的光洁度与平整度要求，以满足光信号层级间的耦合效率。对于大芯径光纤及其组成的光纤束而言，光纤端面抛光就显得更加重要了，抛光质量直接影响器件的性能指标。
目前，光纤端面抛光主要采用化学机械抛光法CMP(Chemical MechanicalPolishing)。CMP是化学的和机械的综合作用，以抛光垫为载体，在一定压力及抛光液存在下，在抛光液中的腐蚀介质作用下光纤表面形成一层软化层，抛光液中的磨粒对工件上的软化层进行磨削，因而在被研磨的工件表面形成光洁表面。这种抛光方式中，会因为压力等条件的细微变化影响抛光效果，而且可能引入杂质导致端面出现划痕，也可能因为抛光垫的硬度与抛光压力的不匹配而出现端面边缘不够平整，此外，抛光的稳定性欠佳，效率低下。
激光抛光效果的影响因素复杂多样，而且因素之间互相影响，这给激光抛光的实际操作带来困难，目前还没有一个较为可靠的方法来指导激光抛光的操作。
发明内容
本发明的目的是要提供一种光纤端面激光抛光方法，提高对光纤端面激光抛光的操作稳定性，提高抛光效率，指导实践中对抛光工艺的优化和调校。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种光纤端面激光抛光方法，包括
步骤一、将分散的光纤粘接成束，切掉光纤束前端头胶，在光纤束前端端部设置封装件，并打磨光纤束前端端面至与封装件端面齐平；
步骤二、搭建激光抛光光路，包括激光器、振镜、三维调整架，三维调整架Z轴即高度调节范围应包含振镜的工作平面所在高度，激光器用于产生激光，三维调整架用于固定光纤束前端，振镜用于向光纤束前端端面聚焦激光；
步骤三、将光纤束固定到三维调整架上，在X轴Y轴Z轴方向调节三维调整架，使光纤束位于振镜的出光光路上，且光纤束端面垂直于光路；
步骤四、开启激光器，沿Z轴方向调节三维调整架，即调节光纤束端面相对振镜的高度，使光纤束端面高度位于振镜的工作平面中，此时光纤束端面会看到光斑，继续上下调节三维调整架直至光纤束端面上的光斑最小最亮；
步骤五、设置振镜反射的激光对光纤束端面采用折线式扫描，设置激光光斑在光纤束端面上的移动速度即扫描速度v、相邻扫描路线之间的平行间距即扫描线间距d、激光功率密度P，且v、d、P满足如下公式：
d＝kP/v，
式中v的单位mm/s，d的单位mm，P的单位W/cm2，系数k的取值范围40-400mm4/J，
激光器正式作业，通过激光光斑完成对光纤束端面的折线式面扫描，实现激光抛光的效果。
优选地，步骤二中，所述激光器选自二氧化碳激光器，激光为红外波段的激光。
优选地，步骤五中，所述激光光斑在光纤束端面上的移动是通过所述振镜的偏转实现的，扫描过程中三维调整架位置固定。只要确保三维调整架经过步骤四的位置调整后能够始终位于振镜的工作平面内。
优选地，步骤四中，所述振镜的工作平面是指振镜对激光光路的调节平面。步骤四的主要目的是确保振镜能够将激光聚焦到光纤束端面。
步骤五中，系数k的优选取值范围为100-300mm4/J，进一步优选为200-300mm4/J。系数k没有实际的物理含义，其作为一个经验系数，用于指导操作人员设置一个与扫描速度、扫描线间距匹配的激光功率密度，以获得一套较优的激光抛光工艺参数。
优选地，步骤二中，所述三维调整架包括一对相互开合的夹具，两所述夹具的相对面上分别设置卡槽，相对的所述卡槽抱住光纤束前端的封装件，并露出光纤束端面。
优选地，步骤激光功率密度P的取值范围为5-50W/cm2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本申请设计了一款三维调整架，用于在水平横向(X轴方向)、水平纵向(Y轴方向)以及竖直方向(Z轴方向)调节光纤束位置。调节X、Y方向，将待抛光光纤束端面移到振镜正下方，调节Z方向即高度，用于调节激光在光纤束端面的光斑，直至让射到光纤束端面上的光斑能量最大。另外，通过设置相互开合的夹块和在夹块上开设纵向卡槽，将封装件卡在卡槽中实现对光纤束的固定，让光纤束端面在抛光过程中始终保持水平状态。
(2)扫描速度和激光功率直接关系着激光熔融的快慢，慢速扫描或高功率密度熔融更快，但熔融过快可能影响光纤端面的整体平整度，也可能影响光纤端面的光学性能；相反，快速扫描或低功率密度熔融慢，熔融过慢可能达不到抛光效果。此外，扫描线间距与光斑大小、光斑质量、激光功率有关，影响抛光的细腻程度，扫描线越密，抛光越细腻，但扫描线过密，相邻激光扫描线会出现部分覆盖而出现重复扫描，影响平面抛光整体均匀性，加工效率也会有所降低。因此必须探索扫描速度、激光功率密度、扫描线间距三者的关系，本申请发明人基于大量试验，在功率密度的优选设置范围内模拟出三者的数学关系，用于指导三者的参数设置，经过验证，可以获得理想的抛光效果。
(3)激光抛光为非接触式抛光，对光纤端面没有机械应力，光纤不会因为受到外力作用而产生断裂风险；在可操作性方面，完成光路系统搭建之后，无需进行复杂操作即可实现抛光，由于不在需要使用到化学抛光液，无需进行抛光后端面的清洁，进一步简化了操作；抛光效率高，激光扫描速度快，在很短时间内即可完成操作，并且通过优化影响抛光效果的工艺参数使得工艺可控性更高，可实现稳定生产。
附图说明
图1为本发明光纤束端面激光抛光的作业示意图；
图2为本发明实施例中三维三维调整架中夹块的结构示意图；
图3为本发明实施例中光纤束端面抛光前的200倍显微镜放大图；
图4为本发明实施例中光纤束端面抛光后的200倍显微镜放大图；
图中，1CO2激光器、2振镜、3三维调整架、4光纤束、5金属封装件、6光纤束端面、7夹块、8卡槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本实施例中的文字描述是与附图对应的，涉及方位的描述也是基于附图的描述，不应理解为是对本发明保护范围的限制。
实施例1
本实施例涉及的光纤束端面激光抛光工艺，是将待端面抛光的光纤束固定到三维调整架上，通过空间位置调节使达到合适的工位，再通过对光纤束端面进行激光扫描，激光产生的热能使光纤瞬时热熔，达到高光洁度和平整度的面抛光效果。激光在光纤束端面聚焦成一个光斑，扫描过程中，移动的光斑按照折线式扫描。
具体过程如下
步骤一、使用胶粘剂将分散的光纤粘接成束，切掉光纤束4前端头胶，在光纤束前端端部设置金属封装件5，并打磨光纤束4前端端面至与封装件端面齐平；
步骤二、搭建激光抛光光路，包括CO2激光器1、振镜2、三维调整架3，三维调整架Z轴即高度调节范围应包含振镜的工作平面所在高度，CO2激光器用于产生红外波段的激光，三维调整架用于固定光纤束前端，振镜用于向光纤束前端端面聚焦激光；
步骤三、将封装后的光纤束4固定到三维调整架上，在X轴Y轴Z轴方向调节三维调整架，使光纤束位于振镜的出光光路上，且光纤束端面垂直于光路；
步骤四、开启激光器，沿Z轴方向调节三维调整架，使光纤束端面高度位于振镜的工作平面中，当看到光纤束端面出现光斑后，继续上下调节三维调整架直至光纤束端面上的光斑最小最亮；
步骤五、设置振镜反射的激光对光纤束端面采用折线式扫描，设置激光光斑在光纤束端面上的移动速度即扫描速度v＝100mm/s、相邻扫描路线之间的平行间距即扫描线间距d＝0.2mm、激光功率密度P＝10W/cm2，且v、d、P满足如下公式：
d＝kP/v，
式中v的单位mm/s，d的单位mm，P的单位W/cm2，系数k取200mm4/J，
激光器正式作业，通过激光光斑完成对光纤束端面的折线式面扫描，实现激光抛光的效果：粗糙度小于Ra1.6，经过激光抛光可以达到镜面的效果，如图4所示。
其它抛光工艺参数的设置还可参考表1
表1
序号 扫描速度v(mm/s) 扫描线间距d(mm) 激光功率密度P(W/cm<sup>2</sup>) 系数k(mm<sup>4</sup>/J)
1 50 0.4 5 400
2 100 0.2 25 80
3 100 0.3 10 300
4 100 0.4 20 200
5 100 0.2 50 40
6 50 0.2 40 25
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤端面激光抛光方法，其特征在于：包括
步骤一、将分散的光纤粘接成束，切掉光纤束前端头胶，在光纤束前端端部设置封装件，并打磨光纤束前端端面至与封装件端面齐平；
步骤二、搭建激光抛光光路，包括激光器、振镜、三维调整架，三维调整架Z轴即高度调节范围应包含振镜的工作平面所在高度，激光器用于产生激光，三维调整架用于固定光纤束前端，振镜用于向光纤束前端端面聚焦激光；
步骤三、将光纤束固定到三维调整架上，在X轴Y轴Z轴方向调节三维调整架，使光纤束位于振镜的出光光路上，且光纤束端面垂直于光路；
步骤四、开启激光器，沿Z轴方向调节三维调整架，即调节光纤束端面相对振镜的高度，使光纤束端面高度位于振镜的工作平面中，此时光纤束端面会看到光斑，继续上下调节三维调整架直至光纤束端面上的光斑最小最亮；
步骤五、设置振镜反射的激光对光纤束端面采用折线式扫描，设置激光光斑在光纤束端面上的移动速度即扫描速度v、相邻扫描路线之间的平行间距即扫描线间距d、激光功率密度P，且v、d、P满足如下公式：
d＝kP/v，
式中v的单位mm/s，d的单位mm，P的单位W/cm2，系数k的取值范围40-400mm4/J，
激光器正式作业，通过激光光斑完成对光纤束端面的折线式面扫描，实现激光抛光的效果。
2.根据权利要求1所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：步骤二中，所述激光器选自二氧化碳激光器，激光为红外波段的激光。
3.根据权利要求1所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：步骤五中，所述激光光斑在光纤束端面上的移动是通过所述振镜的偏转实现的，扫描过程中三维调整架位置固定。
4.根据权利要求1所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：步骤四中，所述振镜的工作平面是指振镜对激光光路的调节平面。
5.根据权利要求1所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：步骤五中，系数k的取值范围为100-300mm4/J。
6.根据权利要求5所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：步骤五中，系数k的取值范围为200-300mm4/J。
7.根据权利要求1所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：所述激光功率密度P的取值范围为5-50W/cm2。
8.根据权利要求1所述的光纤端面激光抛光方法，其特征在于：步骤二中，所述三维调整架包括一对相互开合的夹块，两所述夹块的相对面上分别设置卡槽，相对的所述卡槽抱住光纤束前端的封装件，并露出光纤束端面。
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