CN113732511B - 光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法及装置。该方法将通过聚焦显微物镜后的飞秒激光再经过球差引入器件后产生球差，导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构，该“光丝”结构在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。通过该方法极大改善了激光焦斑与焦深之间的正相关关系，以及沿光轴能量分布导致的非线性效应，因此有利于在光纤表面产生大深径比微结构。
Description
技术领域
本发明属于光纤加工技术领域，具体涉及一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法及装置。
背景技术
光纤是一种基于光的全反射机理进行光传导的介质，可以分为石英玻璃及单晶光纤两种，其中单晶光纤是指掺有一定浓度激活离子，在某些特定波长光的激励下能产生激光的单晶光学纤维，是一种新型的一维功能晶体材料，与传统的玻璃光纤相比较具有激光谱线窄、量子效率高、多功能、热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优点。因此，单晶光纤优越的性能使其在高功率激光应用(高功率激光器、高功率激光武器等方面)具有重大应用前景，其次在军事、信息通讯、材料加工、医疗等领域也具有重大应用价值。
目前一种光纤是采用溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法等制造方法，在光纤表面形成薄膜作为光纤的包层，这些方法存在工艺繁琐、效率低、表面制备一致性低、成本高昂等问题，例如融凝溶胶方法中需要严格控制融凝溶胶浓度、镀膜的厚度、溶胶液黏度、以及烧结气氛，制备工艺复杂，成本高且只适用于小尺寸的光纤，并且光纤膜层不稳定，甚至有可能脱落。
另一种是采用离子束刻蚀、化学腐蚀、电子束刻蚀、光刻、纳米压印等方式，在光纤表面增材或者减材在光纤表面形成微结构，该微结构可依据有效介质理论在光纤表面形成渐变折射率从而制备出光纤包层。但上述方式依然存在工序繁琐(需要精度极高的掩膜版)、成本高昂、生产周期长，更重要的是在曲面、大幅面表面进行微结构加工十分困难。
飞秒激光由于其超强超快的特性，对单晶光纤此类硬脆材料、曲面零件表面微结构加工具有明显的优势，但是现有用于光纤包层微结构加工的聚焦显微物镜的倍率在20-100倍之间，因此高斯光斑最大焦深不超过1μm,激光光斑大小与激光焦深正相关，因此在激光所加工的微结构直径满足的前提下，深度极为有限。此外，激光沿光轴分布的能量一般均会大于材料的损伤阈值，因此极容易产生非线性效应，上述问题会导致加工的微结构深度大约在200-300nm，且热效应显著(重铸层、微裂纹、粗糙度大)。
发明内容
为了解决现有光纤包层微结构加工时，微结构深度加工能力有限，且加工后的微结构热效应显著等问题，本发明提供一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法，同时还提供了实现该方法的装置。
本发明的具体技术方案是：
首先，提供了一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法，该方法具体为：将通过聚焦显微物镜后的飞秒激光再经过球差引入器件后产生球差，导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构，该“光丝”结构在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。
进一步地，上述方法中，非傍轴焦点与傍轴焦点之间距离表示为Δ，Δ满足的关系式为：
其中，NA是聚焦显微物镜数值孔径，n是加工环境介质与球差引入器件材料的折射率之比，L是球差引入器件的厚度。
进一步地，上述球差引入器可选用三种形式：
第一种形式为：平行平板；
第二种形式为：两个光楔块，两个光楔块的斜面相互接触，并且两个光楔块能够沿垂直于光轴方向各自独立移动；
第三种形式为：加载有球差全息图的空间光调制器。
进一步地，上述第二种形式中：两个光楔块分别安装在一维电动位移台上，一维电动位移台的移动方向均为垂直于光轴的方向；两个光楔块分别在各自对应的一维电动位移台带动下，在垂直于光轴的方向发生相向或者相离运动；两个光楔块沿垂直于光轴的方向移动，代表光束经过的等效平行平板的厚度L一直在变化。
另外，本发明还提供用于实现上述方法的飞秒激光加工装置，包括飞秒激光器、聚焦显微物镜以及球差引入器件；
飞秒激光器出射的飞秒激光光路上依次设置聚焦显微物镜、球差引入器件以及待加工光纤；其中，待加工光纤放置在聚焦显微物镜的焦面处；从聚焦显微物镜出射的傍轴光束以及非旁轴光束在球差引入器件的作用下导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构，该“光丝”结构在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。
其中，球差引入元件放置在聚焦显微物镜以及待加工光纤之间的任意位置。
进一步地，上述加工装置中采用的球差引入器件为平行平板。
进一步地，上述加工装置中采用的球差引入器件包括两个光楔块，两个光楔块的斜面相互接触，并且两个光楔块分别安装在一维电动位移台上，两个光楔块分别在各自对应的一维电动位移台带动下，在垂直于光轴的方向发生相向或者相离运动。
进一步地，上述加工装置中采用的球差引入器件为加载有球差全息图的空间光调制器。
本发明的有益效果是：
1、可解决微结构加工深度有限问题：当引入光学球差后，近轴光焦点与旁轴光焦点不重合，产生了一定间距，那么根据球差的大小，可以产生类似于“光丝”或者“多焦点”效应，极大改善了激光焦斑与焦深之间的正相关关系，以及沿光轴能量分布导致的非线性效应，因此有利于在光纤表面产生大深径比微结构。
2、有效抑制高斯光斑加工的热效应。与未引入球差的高斯光斑相比，引入球差将高斯光斑的沿光轴能量进行展宽，降低了激光的能量密度，改善了未引入球差的高斯光斑产生非线性效应，最终有效抑制了单晶光纤材料表面的重铸层、微裂纹、碎屑等问题。
3、本发明的加工装置可以通过更换平行平板，或分别调节两个光楔块沿光轴或垂直与光轴方向上的位置，或向SLM加载不同的球差全息图，可灵活调控球差的大小，从而实现了在光纤表面加工不同深径比的微结构。
附图说明
图1为本发明的实现原理图。
图2为第一种加工装置的结构示意图。
图3为第二种加工装置的结构示意图。
图4为第三种加工装置的结构示意图。
附图标记如下：
1-聚焦显微物镜、2-飞秒激光、3-球差引入器件、4-光丝结构、5-飞秒激光器、6-平行平板、7-傍轴光束、8-非旁轴光束、9-光楔块、10-空间光调制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法具体实现原理如图1所示：通过聚焦显微物镜1后的飞秒激光2再经过球差引入器件3后产生球差，导致飞秒激光2的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了光丝结构4，改善了激光在光纤材料中传播时产生的克尔自聚焦、强度钳制等非线性效应，达到增加微结构深度的目的，通过该光丝结构4在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。上述加工方法可以适用于微孔阵列、圆锥阵列、微槽阵列等多种包层微结构形式的加工。
该方法中所采用的球差引入器件可分为三种，其分别是：平行平板或两个光楔块或者加载有球差全息图的空间光调制器。
当球差引入器件为平行平板或两个光楔块时，通过球差引入器件产生光学球差时球差大小直接改变傍轴焦点和非傍轴焦点之间间隔，将该间隔定义为Δ，Δ满足的关系式为：
其中，NA是聚焦显微物镜数值孔径，n是加工环境介质与球差引入器件材料的折射率之比，L是球差引入器件的厚度(即平行平板的厚度，或者两个光楔块的斜面相互接触后构成的等效平行平板结构的厚度)。
当球差引入器件为加载有球差全息图的空间光调制器时，空间光调制器表面加载球差相位图，使得光束的波前相位产生变化，实现光束球差的产生。
基于上述对加工方法的介绍，现结合附图对实现上述方法的三种加工装置进行描述：
第一种加工装置
如图2所示，包括飞秒激光器5、聚焦显微物镜1以及平行平板6；
飞秒激光器5出射的飞秒激光光路上依次设置聚焦显微物镜1、平行平板6以及待加工光纤；其中，待加工光纤放置在聚焦显微物镜1的焦面处；从聚焦显微物镜1出射的傍轴光束7以及非旁轴光束8在平行平板6的作用下导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构4，该“光丝”结构4在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。
采用平行平板6作为球差引入器件时平行平板，可以通过更换不同厚度的平行平板6，对系统引入球差的大小进行调控，进行激光焦点沿光轴方向能量的灵活调制，从而实现不同深度微结构加工。
第二种加工装置
如图3所示，包括飞秒激光器5、聚焦显微物镜1以及两个光楔块9；两个光楔块9的斜面相互接触，构成了一个等效平行平板结构；
飞秒激光器5出射的飞秒激光光路上依次设置聚焦显微物镜1、两个光楔块9以及待加工光纤；其中，待加工光纤放置在聚焦显微物镜1的焦面处；从聚焦显微物镜1出射的傍轴光束7以及非旁轴光束8在两个光楔块9的作用下导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构4，该“光丝”结构在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。
采用两个光楔块9作为球差引入器件时两个光楔分别固定在一个一维电动位移台上，两个光楔块分别在各自对应的一维电动位移台带动下，在垂直于光轴的方向发生相向或者相离运动，通过上述运动可以改变两个光楔块组成的“等效平行平板”的厚度，从而可以在线改变系统引入的球差大小，最终实现不同深度微结构的加工。
第三种加工装置
如图4所示，包括飞秒激光器5、聚焦显微物镜1以及加载有球差全息图的空间光调制器10；飞秒激光器5出射的飞秒激光光路上依次设置聚焦显微物镜1、空间光调制器10以及待加工光纤；其中，待加工光纤放置在聚焦显微物镜1的焦面处；从聚焦显微物镜1出射的傍轴光束7以及非旁轴光束8在空间光调制器10的作用下导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构4，该“光丝”结构在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间。
采用空间光调制器(SLM)球差引入器件时通过在线更换SLM上加载的球差全息图，灵活在线改变引入系统的球差大小，从而达到不同深度微结构的加工。
Claims (4)
1.一种光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法，其特征在于：将通过聚焦显微物镜后的飞秒激光再经过球差引入器件后产生球差，导致飞秒激光的傍轴焦点和非傍轴焦点形成了沿光轴分离的多个焦点，多个焦点构成了“光丝”结构，该“光丝”结构在光纤表面加工出微结构，微结构的尺寸在数微米至数百微米之间；
其中，非傍轴焦点与傍轴焦点之间距离表示为Δ，Δ满足的关系式为：
其中，NA是聚焦显微物镜数值孔径，n是加工环境介质与球差引入器件材料的折射率之比，L是球差引入器件的厚度。
2.根据权利要求1所述的光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法，其特征在于：所述球差引入器件为平行平板。
3.根据权利要求1所述的光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法，其特征在于：所述球差引入器件包括两个光楔块，两个光楔块的斜面相互接触，并且两个光楔块能够沿垂直于光轴方向各自独立移动。
4.根据权利要求3所述的光纤表面包层微纳结构飞秒激光加工方法，其特征在于：两个光楔块分别安装在一维电动位移台上，一维电动位移台的移动方向均为垂直于光轴的方向；两个光楔块分别在各自对应的一维电动位移台带动下，在垂直于光轴的方向发生相向或者相离运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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