CN113427135A - 一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法，该装置包括飞秒激光器和计算机，在飞秒激光器的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜、孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜，在扫描振镜正下方安装有数控三维运动平台，数控三维运动平台上放置有用于夹持光纤的工装夹具，开启飞秒激光器，将指示光斑置于光纤的正上方，移动数控三维运动平台，观察运动时光斑在光纤上的位置，调整工装夹具方向使数控三维运动平台移动时指示光斑始终保持在光纤的正上方，将工装夹具的可调速交流伺服电机与配套的调速器相连接，通过计算机控制飞秒激光器、数控三维运动平台及工装夹具。该方法实现了光纤微结构的加工。

Description

一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法
技术领域
本发明属于光纤传感与激光加工领域，具体涉及一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法。
背景技术
光纤光栅传感器具有抗干扰能力强，精度高，应用范围广等优点，广泛地应用于国防民生各个领域。随着科学技术的发展，人们对光纤光栅传感器的性能提出了更高的要求。灵敏度更高，精度更高，稳定性更好是光纤传感器的发展方向。当光纤光栅传感器的温度与应力发生变化时，光纤光栅的反射光谱与选通光谱会发生漂移，依据光谱漂移量可以计算得出环境参量的变化。通过在传感器表面镀敏感膜可以将环境参量的变化反映到光纤光栅传感器的温度与应力变化当中，从而起到检测环境变量的功能。
在光纤光栅传感器表面加工微结构是一种常见的传感器增敏方法。微结构可以消减光纤的弹性模量，使其对环境参量的改变产生更大的应变，同时还可以在光纤传感器表面附着更多的敏感材料，因而可以有效增加传感器的灵敏度。
光纤表面微结构常见的加工方式有离子束刻蚀法、机械抛磨法、化学刻蚀法与激光加工法。离子束刻蚀法加工精度较高，但是加工效率较低且成本高昂；机械抛磨法、化学刻蚀法加工效率较高，但难以控制具体加工形状，难以加工复杂结构。而激光加工法具有较高的加工效率与加工精度，以及良好的可控性，是一种适用于光纤表面复杂微结构加工的方式。
目前，激光在光纤表面加工微结构主要是通过三维运动平台的运动与振镜的控制实现的。这一加工方法较为简单，通过配合运动可以实现微构的加工，但是无法在圆柱背面上加工微槽结构，因而难以实现环槽等结构的加工。
发明内容
在现有的光纤传感器加工技术中，存在光纤旋转困难，容易产生弯曲、扭转导致加工精度较低的现象。本发明的目的是提供一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案。
一种飞秒激光加工光纤微结构装置，包括飞秒激光器和计算机，在飞秒激光器的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜、孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜，在扫描振镜正下方安装有数控三维运动平台，数控三维运动平台上放置有用于夹持光纤的工装夹具，开启飞秒激光器，将指示光斑置于光纤的正上方，移动数控三维运动平台，观察运动时光斑在光纤上的位置，调整工装夹具方向使数控三维运动平台移动时指示光斑始终保持在光纤的正上方，将工装夹具的可调速交流伺服电机与配套的调速器相连接，通过计算机控制飞秒激光器、数控三维运动平台及工装夹具，以完成对光纤微结构的加工。
本发明进一步的改进在于，还包括吸尘装置，其放置于数控三维运动平台旁，且吸尘装置的吸口正对光纤加工位置。
本发明进一步的改进在于，所述飞秒激光器能够产生的激光波长为1030nm，最大平均功率为20W，最大重复频率为200kHz。
本发明进一步的改进在于，数控三维运动平台能够实现三个方向的运动，速度范围为0.001mm/s到50mm/s，能够实现插补运动。
本发明进一步的改进在于，所述工装夹具包括固定底座、安装在固定底座上用于支承传动装置的支承结构、用于输出动力的驱动装置及安装在支承装置上，将驱动装置输出的运动传递到光纤上的传动装置。
本发明进一步的改进在于，所述固定底座包括两块底板，上方的第一底板打有通孔，下端第二底板打有螺孔，两块底板间通过螺钉连接。
本发明进一步的改进在于，所述支承结构安装在固定底板上，包括用于支承传动装置与光纤夹持装置的轴承座、轴承以及用于支承驱动装置的电机支架；轴承座通过螺钉与固定底座相连，轴承安装在轴承座中，通过轴承座上安装的紧钉螺钉旋紧完成固定，电机支架在水平方向上设有通孔，通过螺钉完成与固定底座间的固定；在垂直方向上设有通孔，用于固定驱动装置。
本发明进一步的改进在于，所述驱动装置安装在电机支架上，包括可调速交流伺服电机及减速器，通过螺栓固定在电机支架上。
本发明进一步的改进在于，所述传动结构安装在支撑装置上，包括与驱动装置连接的联轴器，穿过轴承座与轴承并与联轴器相连的传动主轴，第一光纤夹持装置，第二光纤夹持装置，以及第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮和第二从动齿轮；联轴器一端与减速器输出轴相连，使用键完成周向固定，并使用紧固螺钉旋紧固定，另一端与传动主轴相连，通过紧固螺钉旋紧完成与主轴的固定；传动主轴另一端与轴承相连，能够自由转动；第一光纤夹持装置与第二光纤夹持装置通过轴承同心固定在轴承座中，转动时阻力较小；通过旋紧螺纹结构完成夹紧，夹持光纤；第一从动齿轮、第二从动齿轮分别与第一光纤夹持装置、第二光纤夹持装置相固定，第一主动齿轮、第二主动齿轮分别固定在传动主轴两端，并且前述从动齿轮相啮合；两组齿轮传动比相同，以完成两端同步传动。
一种飞秒激光加工光纤表面微槽的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：使用刀具去除光纤外保护层，放置于丙酮中使用超声波清洗，清洗完毕后使用无水乙醇与去离子水清洗残余丙酮，旋转旋钮，松开第一光纤夹持装置，第二光纤夹持装置，将清理完成的光纤从第二光纤夹持装置穿入，并从第一光纤夹持装置，施加拉力使光纤紧绷，旋紧完成夹持；
步骤二：开启飞秒激光器的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到光纤的正上方，调整工装夹具的位置，使光纤轴向方位与数控三维运动平台的X轴方向重合，移动数控三维运动平台，调整工装夹具位置确保指示光斑保持在光纤正上方，将工装夹具固定在数控三维运动平台；
步骤三：依据所需微结构的尺寸与形状，计算光纤的运动速度与旋转速度，规划扫描振镜路线，打开吸尘装置，开启飞秒激光器，通过计算机控制数控三维运动平台、工装夹具以及扫描振镜，完成微结构的扫描加工；
步骤四：将光纤放置于丙酮中，置于超声波清洗仪中，开启超声波清洗仪，清洗光纤表面熔融物残留，将光纤置于无水乙醇中进行超声清洗，去除光纤上残余的丙酮，再置于清水中去除残余的乙醇，获得洁净的微结构光纤。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.本发明采用飞秒激光加工微结构，可以高速、高效率、高精度地实现光纤表面三维微结构无崩边、无裂纹、无热影响、表面平滑的高质量加工。
2.本发明采用辅助吸尘装置，有效去除在烧蚀过程中产生的喷溅熔融物及等离子体。等离子体聚集会产生等离子体屏蔽效应，使激光能量衰减，无法达到所需加工效果；熔融物喷溅会沉积在光纤微结构表面，使加工结构尺寸出现较大误差，同时会极大降低加工表面质量。
3.本发明所述光纤夹具可以完成光纤旋转，便于在光纤表面加工环形等三维微结构。
4.本发明所述光纤夹具包含两个光纤夹持装置，通过轴承固定于夹具两端，通过传动装置完成同步转动。这一结构可以在两端对光纤施加拉力，完成光纤的绷直夹紧，避免光纤因重力或自身的弯矩而产生的弯曲形变，同时，通过传动装置使光纤两端同步旋转，避免在旋转过程中因摩擦力等因素而产生的扭矩，造成微结构在加工过程中由于光纤形变而失真。
5.本发明所述光纤夹具的驱动装置转速可调，可以有效配合三维运动平台实现不同的扫描轨迹，灵活调控加工微结构形貌。
附图说明
图1为本发明所述的飞秒激光加工光纤微结构装置的整体结构示意图；
图2为本发明所述的光纤夹具结构示意图；
图3为本发明所述的光纤微结构飞秒激光扫描过程示意图。
附图标记说明如下：
1-飞秒激光器、2-扩束镜、3-孔径光阑、4-第一反射镜、5-第二反射镜、6-扫描振镜、7-吸尘装置、8-数控三维运动平台、9-计算机、10-工装夹具、11-可调速交流伺服电机、12-减速器、13-电机支架、14-螺栓、15-联轴器、16-第一主动齿轮、17-传动主轴、18-第二主动齿轮、19-轴承座、20-轴承、21-第一螺钉、22-第一底板、23-第二螺钉、24-紧钉螺钉、25-第一从动齿轮、26-第一光纤夹持装置、27-第二底板、28-第二光纤夹持装置、29-第二从动齿轮、30-光纤、31-三角形螺纹微槽。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不仅限于此。
如图1所示，本发明提供的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，包括飞秒激光器1、扩束镜2、孔径光阑3、第一反射镜4、第二反射镜5、扫描振镜6、吸尘装置7、数控三维运动平台8、计算机9以与工装夹具10。将所述飞秒激光器1水平放置于平台上，在飞秒激光器1的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜2、孔径光阑3、第一反射镜4、第二反射镜5和扫描振镜6。光学固定支架通过螺钉紧固在支撑面上，通过光学固定支架上的旋钮进行微调，使激光沿着设计光路传播。在扫描振镜6正下方安装有数控三维运动平台8。将工装夹具10放置在数控三维运动平台8上，开启飞秒激光器1，将指示光斑置于光纤30的正上方，移动数控三维运动平台8，观察运动时光斑在光纤30上的位置，调整工装夹具10方向使数控三维运动平台8移动时指示光斑始终保持在光纤30的正上方。将吸尘装置7放置于数控三维运动平台8旁，吸尘装置吸口正对光纤30加工位置。将工装夹具10的可调速交流伺服电机11与配套的调速器相连接。通过计算机9控制飞秒激光器1、数控三维运动平台8与工装夹具10，以完成对光纤30微结构的加工。
如图2所示，工装夹具10的第一底板22打有通孔，第二底板27上打有螺孔，通孔与螺孔位置对应。第一螺钉21穿过轴承座以及第一底板22上的通孔，与第二底板27的螺孔相配合，完成轴承座与两块底板之间的固定。安装轴承座时通过保证轴承底座相互平行。轴承座19为剖分式轴承座，通过螺钉完成旋紧。将轴承20放入轴承座19中，对其内表面，旋紧螺钉进行夹紧，完成固定。第一光纤夹持装置26和第二光纤夹持装置28含有三瓣卡爪，在未夹紧时由于弹力的作用自然张开。夹持装置当旋钮旋紧，卡爪会在旋钮受力的情况下向中间收紧，将光纤固定于卡爪的正中心，完成光纤夹紧。第一光纤夹持装置26和第二光纤夹持装置28通过过盈配合安装在轴承20上。从第一从动齿轮25与第一光纤夹持装置26过盈配合，从第二从动齿轮29与第二光纤夹持装置28过盈配合。调整电机支架13的位置，使其与轴承底座平行。第二螺钉23穿过底部通孔，与第二底板27上的螺孔配合，完成电机支架13的固定。可调速交流伺服电机11与减速器12之间固定，通过螺栓14安装在电机支架13上。减速器12的输出轴与联轴器15前端相连，通过联轴器15上的紧钉螺钉完成夹紧。联轴器15的后端与传动主轴17的前端相连，通过螺钉完成夹紧。第一主动齿轮16与第二主动齿轮18固定在传动主轴17上，通过键连接与轴肩完成定位。第一主动齿轮16和第二主动齿轮18分别与第一从动齿轮25和第二从动齿轮29配合传动，两组齿轮传动比相同，均为1，保证光纤在旋转的过程中不会产生扭转形变。传动主轴的后端与轴承20相配合，完成传动过程。这一设计有效地避免了光纤因为重力、自身弯曲、摩擦力或两端受力不均等因素而产生弯曲或扭转变形，造成加工微结构的失真。
本发明提供的一种飞秒激光加工光纤微结构的方法，包括以下步骤：
通过图1所示飞秒激光加工光纤微结构装置完成加工。
步骤1：通过刀具将光纤30的保护层剥除，然后置于丙酮中，放置于超声波清洗仪中清洗10分钟，去除表面残余的保护层。将清洗过的光纤置于酒精中，超声清洗5分钟，去除表面残留的丙酮。再置于去离子水中，超声清洗5分钟，去除表面残余杂物。使用吹风机吹干，以获得干净的光纤。
步骤2：松开第一光纤夹持装置26和第二光纤夹持装置28，将光纤30从第二光纤夹持装置28的背面穿入。将光纤30插入第一光纤夹持装置26，旋紧旋钮完成光纤前端的夹紧。松开光纤30，使其自由旋转，避免固定时有扭矩残余。在后端施加少许拉力使光纤30紧绷。旋紧第二光纤夹持装置28完成光纤夹持。
步骤3：将夹持光纤的工装夹具10放置于数控三维运动平台8上。开启激光器，使指示光斑落在光纤30上。移动工装夹具10，使光斑落在光纤30一端的正上方。移动数控三维运动平台8的X轴，观察光斑与光纤30的相对位置。调整工装夹具10的位置，使光斑始终保持在光纤30正上方。反向移动X轴，观察光斑的位置，如果发生偏离则再次调整工装夹具10位置。重复此步骤，直至在数控三维运动平台8移动的过程中光斑始终保持在光纤的正上方。通过第二底板24的螺孔将夹具固定于数控三维运动平台8上。
步骤4：开启计算机9，连接可调速交流伺服电机11、数控三维运动平台8、扫描振镜6以及飞秒激光器1。调整数控三维运动平台8的Z轴，将光纤置于激光焦点所在平面。设置数控三维运动平台8的运动方式，包括扫描路径，运动时间，扫描速度、加速度，不同轴协同运动的插补轨迹等。设置可调速交流伺服电机11的转速、运动时间。设计规划加工过程的扫描路径、扫描速度及扫描时间等参数，通过扫描振镜控制软件完成绘制。以图3中所示三角形螺纹槽为例，可以使数控三维运动平台8的Z轴下移0.75mm，X轴以0.0167mm/s的速度正向运动，可调速交流伺服电机11以10r/min的速度旋转，振镜以20mm/s的速度反复扫描长为0.02mm的直线。开启吸尘装置7。开启飞秒激光器1，启动可调速交流伺服电机11、数控三维运动平台8，开启飞秒激光器1内光阑，同时启动扫描振镜6，按规划路径完成扫描。扫描完成后关闭飞秒激光器1、可调速交流伺服电机11与数控三维运动平台8。
步骤5：松开第一光纤夹持装置26以及第二光纤夹持装置28，从第二光纤夹持装置28后端将光纤30抽出。将加工完成的光纤30置于丙酮中，放置于超声波清洗仪中清洗10分钟，去除熔融物沉积等因素产生的杂质层。依次使用无水乙醇及去离子水进行超声清洗，去除表面残余杂物。使其自然干燥，获得加工完成的微结构光纤。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)和计算机(9)，在飞秒激光器(1)的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜(2)、孔径光阑(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和扫描振镜(6)，在扫描振镜(6)正下方安装有数控三维运动平台(8)，数控三维运动平台(8)上放置有用于夹持光纤(30)的工装夹具(10)，开启飞秒激光器(1)，将指示光斑置于光纤(30)的正上方，移动数控三维运动平台(8)，观察运动时光斑在光纤(30)上的位置，调整工装夹具(10)方向使数控三维运动平台(8)移动时指示光斑始终保持在光纤(30)的正上方，将工装夹具(10)的可调速交流伺服电机(11)与配套的调速器相连接，通过计算机(9)控制飞秒激光器(1)、数控三维运动平台(8)及工装夹具(10)，以完成对光纤(30)微结构的加工。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，还包括吸尘装置(7)，其放置于数控三维运动平台(8)旁，且吸尘装置(7)的吸口正对光纤(30)加工位置。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述飞秒激光器(1)能够产生的激光波长为1030nm，最大平均功率为20W，最大重复频率为200kHz。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，数控三维运动平台(8)能够实现三个方向的运动，速度范围为0.001mm/s到50mm/s，能够实现插补运动。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述工装夹具(10)包括固定底座、安装在固定底座上用于支承传动装置的支承结构、用于输出动力的驱动装置及安装在支承装置上，将驱动装置输出的运动传递到光纤上的传动装置。
6.根据权利要求5所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述固定底座包括两块底板，上方的第一底板(22)打有通孔，下端第二底板(24)打有螺孔，两块底板间通过螺钉连接。
7.根据权利要求6所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述支承结构安装在固定底板上，包括用于支承传动装置与光纤夹持装置的轴承座(19)、轴承(20)以及用于支承驱动装置的电机支架(13)；轴承座(19)通过螺钉(21)与固定底座相连，轴承(20)安装在轴承座(19)中，通过轴承座(19)上安装的紧钉螺钉(24)旋紧完成固定，电机支架(13)在水平方向上设有通孔，通过螺钉(23)完成与固定底座间的固定；在垂直方向上设有通孔，用于固定驱动装置。
8.根据权利要求7所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述驱动装置安装在电机支架(13)上，包括可调速交流伺服电机(11)及减速器(12)，通过螺栓(14)固定在电机支架(13)上。
9.根据权利要求8所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述传动结构安装在支撑装置上，包括与驱动装置连接的联轴器(15)，穿过轴承座(19)与轴承并与联轴器(15)相连的传动主轴(17)，第一光纤夹持装置(26)，第二光纤夹持装置(28)，以及第一主动齿轮(16)、第二主动齿轮(18)、第一从动齿轮(25)和第二从动齿轮(29)；联轴器(15)一端与减速器(12)输出轴相连，使用键完成周向固定，并使用紧固螺钉旋紧固定，另一端与传动主轴(17)相连，通过紧固螺钉旋紧完成与主轴的固定；传动主轴另一端与轴承(20)相连，能够自由转动；第一光纤夹持装置(26)与第二光纤夹持装置(28)通过轴承(20)同心固定在轴承座(19)中，转动时阻力较小；通过旋紧螺纹结构完成夹紧，夹持光纤(30)；第一从动齿轮(25)、第二从动齿轮(29)分别与第一光纤夹持装置(26)、第二光纤夹持装置(28)相固定，第一主动齿轮(16)、第二主动齿轮(18)分别固定在传动主轴(17)两端，并且前述从动齿轮相啮合；两组齿轮传动比相同，以完成两端同步传动。
10.一种飞秒激光加工光纤表面微槽的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：使用刀具去除光纤(30)外保护层，放置于丙酮中使用超声波清洗，清洗完毕后使用无水乙醇与去离子水清洗残余丙酮，旋转旋钮，松开第一光纤夹持装置(26)，第二光纤夹持装置(28)，将清理完成的光纤(30)从第二光纤夹持装置(28)穿入，并从第一光纤夹持装置(26)，施加拉力使光纤紧绷，旋紧完成夹持；
步骤二：开启飞秒激光器(1)的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到光纤(30)的正上方，调整工装夹具(10)的位置，使光纤(30)轴向方位与数控三维运动平台(8)的X轴方向重合，移动数控三维运动平台(8)，调整工装夹具(10)位置确保指示光斑保持在光纤(30)正上方，将工装夹具(10)固定在数控三维运动平台(8)；
步骤三：依据所需微结构(31)的尺寸与形状，计算光纤(30)的运动速度与旋转速度，规划扫描振镜(6)路线，打开吸尘装置(7)，开启飞秒激光器(1)，通过计算机(9)控制数控三维运动平台(8)、工装夹具(10)以及扫描振镜(6)，完成微结构的扫描加工；
步骤四：将光纤(30)放置于丙酮中，置于超声波清洗仪中，开启超声波清洗仪，清洗光纤表面熔融物残留，将光纤置于无水乙醇中进行超声清洗，去除光纤上残余的丙酮，再置于清水中去除残余的乙醇，获得洁净的微结构光纤。
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