CN113655562A - 一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置及刻写加工步骤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置及刻写加工步骤。本发明装置刻写光栅过程人工介入少，效率高，成本低，适合大规格生产。使光纤上保持恒定的张力，让计量光纤长度更精确。刻写时，送入激光光束焦点的光纤的张力可调，可灵活调整刻写的光栅质量。很容易加工光纤光栅串，每个光栅之间的间隔可方便设置。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及光纤光栅的应用。
背景技术
光纤光栅作为一种附加损耗小、体积小的无源光学器件，已经在光通信、光纤传感以及激光器中广泛应用。在光通信系统中，光纤光栅可应用于光源、色散补偿、波分复用器件等。光纤光栅抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、对外界环境变化敏感，可用于温度、应变、压力、折射率等物理量的测量。同时容易与现有光通信网络集成，光纤光栅传感已经在航空航天、土木工程、基建健康监控、采矿等行业大量应用。
1、通过激光照射相位掩模板，使用掩模板产生的衍射条纹刻写光纤光栅。
2、在光纤生产制造时，通过光纤拉丝塔配合相位掩膜版刻写光纤光栅。
3、使用飞秒激光逐点刻写的方式制作光纤光栅，刻写时采用人工取下和放入光纤到夹具。
使用掩模板刻写的问题如下：
1，使用相位掩模板刻写时，光纤光栅的周期由掩模板的周期决定，如果刻写不同周期就需要多块掩模板，而掩模板价格昂贵；
2，掩模板刻写前需要将光纤放入高压氢气中进行5～7天的载氢处理，该操作周期长且具有一定危险性；
3，在使用掩模板刻写光纤光栅过程中，需要将光纤的涂敷层剥掉。被剥离涂覆层的光纤机械强度明显下降，不利于后续加工同时减小光纤光栅的使用寿命；
使用拉丝塔刻写的问题如下：
1，拉丝塔是光纤生产制造企业采用的设备，用来制造光纤，成本极高；
2，在光纤拉制成型后涂敷前用掩模板刻写光栅，可以解决剥离涂敷层再刻写后带来的光纤机械强度降低的问题，但是其加工工艺要求很高。
使用飞秒激光逐点刻写，人工操作的问题如下：
1，刻写精度低，光纤光栅一致性差；
2，人工干预多，不适合大规模生产。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其包括飞秒激光器、激光光束、半透半反镜、直角棱镜、二向色镜、可见光束、可见光源、高分辨率相机、聚焦物镜、第一光纤料盘及第二光纤料盘、计米轮、定滑轮、动滑轮、第一张力计及第二张力计、第一光纤夹及第二光纤夹、三轴微动平移台以及拉力计；
飞秒激光器出射的激光光束经二向色镜反射后进入聚焦物镜，输出聚焦的激光光束，焦点打在光纤纤芯上；采用可见光源发光经半透半反镜反射后透过二向色镜进入聚焦物镜，照射到光纤上，同时可见光从半透半反镜透过后经直角棱镜反射后进入高分辨率相机；
三轴微动平移台能够分别沿图示XYZ轴微小移动，其上固定有第一光纤夹和拉力计，拉力计上固定有第二光纤夹；拉力计能够沿X轴自动移动，第一光纤夹与第二光纤夹能够分别自动开合；
动滑轮上方左右两侧分别设置两个定滑轮，第一张力计与第二张力计处的滑轮形成三角结构，动滑轮上方左右两侧分别设置两个定滑轮，当光纤张力过大时，动滑轮会上移导致第一张力计测量结果变大；当第一光纤夹与第二光纤夹合上后，三轴微动平移台在移动时，仍能控制第一光纤夹左侧和第二光纤夹右侧的光纤的张力；计米轮通过与光纤的摩擦力实现光纤移动时带动轮子转动。
作为本发明的进一步改进，所述第一光纤料盘与第二光纤料盘的转动分别依靠两个电机，通过电机的正/反转，实现收放纤过程。
作为本发明的进一步改进，所述计米轮采用低阻尼的旋转结构。
作为本发明的进一步改进，拉力计采用直线电机沿X轴自动移动。
作为本发明的进一步改进，第一光纤夹与第二光纤夹采用电机控制自动开合。
作为本发明的进一步改进，三轴微动平移台中的微动是指能够进行微米级的移动。
一种飞秒激光刻写光纤光栅的加工步骤，利用上述任意一项所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置进行刻写加工：
包括如下步骤：
首先做如下说明：
第1段光纤：第一光纤料盘到第一光纤夹；
第2段光纤：第一光纤夹到第二光纤夹；
第3段光纤：第二光纤夹到第二光纤料盘；
放纤盘：第一光纤料盘；
收纤盘：第二光纤料盘；
步骤S1：做好准备工作，并装好光纤；
步骤S2：转动收纤盘，使三段光纤张力都达到预设值，此时两个张力计的读数一样，计米轮清零；
步骤S3：合上第一光纤夹与第二光纤夹夹住光纤，拉力计移动使第2段光纤的张力达到预设值，同时可能会导致第3段光纤的张力改变，所以收纤盘转动，通过检测第二张力计的数值来保证第3段光纤的张力保持预设值；
步骤S4：打开飞秒激光器光束输出，三轴微动平移台微量调节，通过高分辨率相机检测激光焦点是否在光纤纤芯中心上，开始刻写整个光栅，一个光栅刻写完成后，关闭飞秒激光器光束输出，三轴微动平移台复位，期间需通过转动收纤盘或放纤盘来保证第1或第3段光纤上的张力是预设值；
步骤S5：先松开第二光纤夹，由于第2段光纤被拉力计拉过，张力预设值可能跟第3段光纤的张力预设值不同，所以需调节第2、3段光纤的张力到预设值，再松开第一光纤夹，拉力计复位；
步骤S6：通过转动收纤盘和放纤盘，让光纤移动预设长度到下一个待刻写光栅处，然后重复以上步骤S3-S5。
作为本发明的进一步改进，步骤1中，做好准备工作包括以下操作：关闭飞秒激光器光束输出，打开第一光纤夹与第二光纤夹，拉力计复位，三轴微动平移台复位。
本发明的有益效果是：
本发明装置刻写光栅过程人工介入少，效率高，成本低，适合大规格生产。
使光纤上保持恒定的张力，让计量光纤长度更精确。
刻写时，送入激光光束焦点的光纤的张力可调，可灵活调整刻写的光栅质量。
很容易加工光纤光栅串，每个光栅之间的间隔可方便设置。
本发明提供的装置可制作各种特殊结构的光纤光栅、光栅串，生产速度快，效率高，一致性好，将进一步扩大光纤光栅的应用场合。
附图说明
图1：本发明提供的飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置的结构示意图；
图2：本发明刻写加工流程图。
图中各部件名称如下：
飞秒激光器1、激光光束2、半透半反镜3、直角棱镜4、二向色镜5、可见光束6、可见光源7、高分辨率相机8、聚焦物镜9、第一光纤料盘10、计米轮11、定滑轮12、动滑轮13、第一张力计14、第一光纤夹15、第二光纤夹16、三轴微动平移台17、拉力计18、第一光纤光栅19、第二张力计20、第二光纤光栅21、第二光纤料盘22。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示为本发明提供的飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置的结构示意图，其中包括飞秒激光器1、激光光束2、半透半反镜3、直角棱镜4、二向色镜5、可见光束6、可见光源7、高分辨率相机8、聚焦物镜9、第一光纤料盘10、第二光纤料盘22、计米轮11、定滑轮12、动滑轮13、第一张力计14、第二张力计20、第一光纤夹15、第二光纤夹16、三轴微动平移台17、拉力计18、第一光纤光栅19、第二光纤光栅21。
飞秒激光器1出射的激光光束2经二向色镜5反射后进入聚焦物镜9，输出聚焦的激光光束，焦点打在光纤19纤芯上。为了监测焦点的具体位置，采用可见光源7发光经半透半反镜3反射后透过二向色镜5进入聚焦物镜9，照射到光纤上，同时可见光也会从半透半反镜3透过后经直角棱镜4反射后进入高分辨率相机8。
三轴微动平移台17可分别沿图示XYZ轴微小移动，其上固定有第一光纤夹15和拉力计18，拉力计18上固定有第二光纤夹16。拉力计18可沿X轴自动移动(采用直线电机做到自动移动)，第一光纤夹15与第二光纤夹16可分别自动开合(采用电机控制自动开合)。
第一张力计14与第二张力计20处的滑轮形成三角结构，当光纤张力过大时，动滑轮13会上移导致第一张力计14测量结果变大。采用两个张力计(第一张力计14与第二张力计20)的目的是，当第一光纤夹15与第二光纤夹16合上后，三轴微动平移台17在移动时，仍能控制第一光纤夹15左侧和第二光纤夹16右侧的光纤的张力，便于精密计量光纤的移动距离。
计米轮11采用低阻尼的旋转结构，通过与光纤的摩擦力实现光纤移动时带动轮子转动，通过记录计米轮转过的圈数和轮子的周长可计算出光纤移动的距离。
第一光纤料盘10与第二光纤料盘22的转动分别依靠两个电机，通过电机的正/反转，实现收放纤过程。
下面结合一个刻写加工过程，给出实现步骤，首先做如下说明：
第1段光纤：第一光纤料盘10到第一光纤夹15；
第2段光纤：第一光纤夹15到第二光纤夹16；
第3段光纤：第二光纤夹16到第二光纤料盘22；
放纤盘：第一光纤料盘10；
收纤盘：第二光纤料盘22。
步骤S1：关闭飞秒激光器1光束输出，打开第一光纤夹15与第二光纤夹16，拉力计18复位，三轴微动平移台17复位，按图1所示装好光纤；
步骤S2：转动收纤盘(第二光纤料盘22)，使以上三段光纤张力都达到预设值，此时两个张力计的读数一样，计米轮11清零；
步骤S3：合上第一光纤夹15与第二光纤夹16夹住光纤，拉力计18移动使第2段光纤的张力达到预设值，同时可能会导致第3段光纤的张力改变，所以收纤盘转动，通过检测第二张力计20的数值来保证第3段光纤的张力保持预设值；
步骤S4：打开飞秒激光器1光束输出，三轴微动平移台17微量调节，通过高分辨率相机8检测激光焦点是否在光纤纤芯中心上，开始刻写整个光栅，一个光栅刻写完成后，关闭飞秒激光器1光束输出，三轴微动平移台17复位，期间需通过转动收纤盘或放纤盘来保证第1或第3段光纤上的张力是预设值；
步骤S5：先松开第二光纤夹16，由于第2段光纤被拉力计拉过，张力预设值可能跟第3段光纤的张力预设值不同，所以需调节第2、3段光纤的张力到预设值，再松开第一光纤夹15，拉力计复位；
步骤S6：通过转动收放纤盘(收纤盘：第二光纤料盘22，放纤盘：第一光纤料盘10)，让光纤移动预设长度到下一个待刻写光栅处，然后重复以上步骤S3-S5。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其特征在于：其包括飞秒激光器（1）、激光光束（2）、半透半反镜（3）、直角棱镜（4）、二向色镜（5）、可见光束（6）、可见光源（7）、高分辨率相机（8）、聚焦物镜（9）、第一光纤料盘（10）及第二光纤料盘（22）、计米轮（11）、定滑轮（12）、动滑轮（13）、第一张力计（14）及第二张力计（20）、第一光纤夹（15）及第二光纤夹（16）、三轴微动平移台（17）以及拉力计（18）；
飞秒激光器（1）出射的激光光束（2）经二向色镜（5）反射后进入聚焦物镜（9），输出聚焦的激光光束，焦点打在光纤（19）纤芯上；采用可见光源（7）发光经半透半反镜（3）反射后透过二向色镜（5）进入聚焦物镜（9），照射到光纤上，同时可见光从半透半反镜（3）透过后经直角棱镜（4）反射后进入高分辨率相机（8）；
三轴微动平移台（17）能够分别沿图示XYZ轴微小移动，其上固定有第一光纤夹（15）和拉力计（18），拉力计（18）上固定有第二光纤夹（16）；拉力计（18）能够沿X轴自动移动，第一光纤夹（15）与第二光纤夹（16）能够分别自动开合；
动滑轮（13）上方左右两侧分别设置两个定滑轮（12），第一张力计（14）与第二张力计（20）处的滑轮形成三角结构，动滑轮（13）上方左右两侧分别设置两个定滑轮（12），当光纤张力过大时，动滑轮（13）会上移导致第一张力计（14）测量结果变大；当第一光纤夹（15）与第二光纤夹（16）合上后，三轴微动平移台（17）在移动时，仍能控制第一光纤夹（15）左侧和第二光纤夹（16）右侧的光纤的张力；计米轮（11）通过与光纤的摩擦力实现光纤移动时带动轮子转动。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其特征在于：所述第一光纤料盘（10）与第二光纤料盘（22）的转动分别依靠两个电机，通过电机的正/反转，实现收放纤过程。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其特征在于：所述计米轮（11）采用低阻尼的旋转结构。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其特征在于：拉力计（18）采用直线电机沿X轴自动移动。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其特征在于：第一光纤夹（15）与第二光纤夹（16）采用电机控制自动开合。
6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置，其特征在于：三轴微动平移台（17）中的微动是指能够进行微米级的移动。
7.一种飞秒激光刻写光纤光栅的加工步骤，其特征在于，利用权利要求1至6任意一项所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅自动上料装置进行刻写加工：
包括如下步骤：
首先做如下说明：
第1段光纤：第一光纤料盘（10）到第一光纤夹（15）；
第2段光纤：第一光纤夹（15）到第二光纤夹（16）；
第3段光纤：第二光纤夹（16）到第二光纤料盘（22）；
放纤盘：第一光纤料盘（10）；
收纤盘：第二光纤料盘（22）；
步骤S1：做好准备工作，并装好光纤；
步骤S2：转动收纤盘，使三段光纤张力都达到预设值，此时两个张力计的读数一样，计米轮（11）清零；
步骤S3：合上第一光纤夹（15）与第二光纤夹（16）夹住光纤，拉力计（18）移动使第2段光纤的张力达到预设值，同时可能会导致第3段光纤的张力改变，所以收纤盘转动，通过检测第二张力计（20）的数值来保证第3段光纤的张力保持预设值；
步骤S4：打开飞秒激光器（1）光束输出，三轴微动平移台（17）微量调节，通过高分辨率相机（8）检测激光焦点是否在光纤纤芯中心上，开始刻写整个光栅，一个光栅刻写完成后，关闭飞秒激光器（1）光束输出，三轴微动平移台（17）复位，期间需通过转动收纤盘或放纤盘来保证第1或第3段光纤上的张力是预设值；
步骤S5：先松开第二光纤夹（16），由于第2段光纤被拉力计拉过，张力预设值可能跟第3段光纤的张力预设值不同，所以需调节第2、3段光纤的张力到预设值，再松开第一光纤夹（15），拉力计复位；
步骤S6：通过转动收纤盘和放纤盘，让光纤移动预设长度到下一个待刻写光栅处，然后重复以上步骤S3-S5。
8.根据权利要求7所述的一种飞秒激光刻写光纤光栅的加工步骤，其特征在于：步骤1中，做好准备工作包括以下操作：关闭飞秒激光器（1）光束输出，打开第一光纤夹（15）与第二光纤夹（16），拉力计（18）复位，三轴微动平移台（17）复位。
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