CN115413323A - 用激光切割玻璃体的组件和方法 - Google Patents

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M.奥基
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Abstract

公开了切割组件和方法，用于以大于0度的期望角度切割玻璃体，所述玻璃体具有端面。组件包括：激光器件，其用于发射激光束；旋转器件；以及定位夹具。旋转器件具有围绕正交于激光束的中心轴线旋转的头部。定位夹具可操作地安装到头部并且沿着中心轴线轴向居中，并且也由旋转器件可旋转地驱动。定位夹具具有锥面，其横向于中心轴线并且在相对于中心轴线的预定角度支撑玻璃体。当玻璃体暴露于激光束时，由于玻璃体被横向于中心轴支撑，定位夹具围绕中心轴线的旋转以期望的角度切割玻璃体的端面。

Description

用激光切割玻璃体的组件和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年7月22日提交的美国临时专利申请63/055,307和于2020年9月2日提交的美国临时专利申请63/073,705的优先权，两者均通过引用并入本文。
背景
1.发明领域
本发明涉及用于切割或切削玻璃体(诸如棒、毛细管或光纤)的组件和方法，更具体而言，但不排他地，涉及用于用激光切割或切削圆柱形玻璃体的角度切割或切削组件。
2.现有技术的描述
用于切割或切削光纤并获得光学级表面的各种技术是已知的。一些技术需要机械刻痕，随后扭转断裂，随后机械抛光或研磨以消除由机械刻痕引起的表面的粗糙(hackle)、震颤和裂缝。其他技术，诸如在受控光学条件下的激光加工(诸如美国专利7,142,741B2中公开的)能够实现与机械抛光技术相似的光学特性。这两种技术各有利弊，取决于具体应用，一种方法可能优选于另一种方法。
自2000年代初以来，光纤的激光加工已成为业界公认的标准，然而机械抛光由于其低进入成本和多功能性仍然是加工光纤的优势方法。在历史上，机械抛光光纤的一个缺点是需要完全除去由机械刻图引起的表面变形，通常需要冗长且昂贵的抛光步骤。额外的缺点是无法将光纤抛光到精确的轴向尺寸，无法将应力构件与保偏光纤相对于规定的角度对齐，以及增加了与实现非标准表面角(即0°或8°)相关的加工成本。
然而，最近，随着5G、自动驾驶车辆传感器和军事武器所需的高功率传输的涌入，在来自传统抛光技术的光纤表面发现的微磨损中嵌入的二氧化硅沉积物被发现是高度吸收性的并且破坏光传输，产生不期望的背向反射和光束散射。当这些损害存在时，最终会发生器件故障(光纤或有源器件)。由于这个原因，在这些应用中使用的传统光纤的激光加工正在获得显著的势头，然而，大直径玻璃体的此类激光加工仍然存在缺点。
现今的激光加工方法非常适用于传统光纤，特别是由核心和包层组成的总组合直径为125um或更小的光纤。然而，由于入射光束相对于出射光束的能量差异，激光加工具有组合芯/包层直径大于125um的光纤或其他玻璃体变得有问题。此类入射/出射(entry/exit)效应产生损害光传输的波动面，产生无法控制的背向反射并引入透射光束的光束偏斜和非高斯能量分布。在光纤的成角度切割期间，表面波动进一步加剧，这由于沿着斜边的切削长度增加而增强了入射/出射效应。
发明概述
本主题发明提供了切割组件，用于以大于0度的期望角度和减少的光散射或吸收损害切割玻璃体，所述玻璃体具有端面。组件包括：激光器件，其用于发射激光束；旋转器件；以及定位夹具。旋转器件具有围绕正交于激光束的中心轴线旋转的头部。定位夹具可操作地安装到头部并且沿着中心轴线轴向居中，并且也由旋转器件可旋转地驱动。定位夹具具有锥面，其横向于中心轴线并且在相对于中心轴线的预定角度支撑玻璃体。当玻璃体暴露于激光束时，由于玻璃体被横向于中心轴线支撑，定位夹具围绕中心轴线的旋转以期望角度切割玻璃体的端面。
本主题发明进一步提供了用切割组件切割玻璃体的方法。切割组件包含：激光器件，其用于发射激光束；旋转器件；以及定位夹具。方法包括以下步骤：将旋转器件和定位夹具沿着正交于激光束的中心轴线中心对齐定位，并且将定位夹具安装到旋转器件的头部，同时沿着定位夹具的锥面支撑玻璃体。锥面以预定角度横向于中心轴线延伸。接下来，定位夹具和旋转器件的头部围绕中心轴线旋转，同时玻璃体以预定角度被支撑，使得激光束在对应于预定角度的期望角度切割玻璃体的端面。
本主题发明与现有技术的组件和方法相比具有许多优点。首先，本主题发明提供了基本上没有表面波动和损害的端面，其允许加工玻璃体而没有机械抛光的光散射或吸收损害。因此，当根据本主题发明切割时，玻璃体的端面不会展示不期望的入射/出射效应。本主题发明的另一个优点是可以在旋转器件上快速互换不同预定角度的多个不同定位夹具，同时保持激光切割的精度和在精确的期望角度。
附图简述
本发明的其他优点将很容易理解，因为当结合附图考虑时，通过参考下列详细描述，其他优点变得更好地理解，其中：
图1是根据本主题发明的用于切割玻璃体(诸如棒、毛细管或光纤)的切割组件的透视图，所述切割组件具有激光器件和旋转器件；
图2是用于切割玻璃体的旋转器件和定位夹具的分解透视图；
图3是附接于旋转器件的定位夹具的特写透视图；
图4是在旋转和用激光束切割期间定位夹具支撑玻璃体的特写图；
图5是用于切割玻璃体上的平面的定位夹具的特写图；
图6A是根据本主题发明的一个实施方式的定位夹具的透视图；
图6B是图6A所示的定位夹具的横截面视图；
图6C是图6A所示的定位夹具的端视图；
图7是具有成角度末端的玻璃体的特写图；
图8A是根据本主题发明的另一个实施方式的定位夹具的透视图；
图8B是图8A所示的定位夹具的横截面视图；
图8C是图8A所示的定位夹具的端视图；
图9A-9B是图8A所示的定位夹具的示意图；
图9C是图8A所示的定位夹具在围绕中心轴线旋转的离散点的示意图；
图10是玻璃体在特定旋转角度的特写；
图11显示了根据本主题发明形成的不同玻璃体上的各种切割角度；
图12-14是根据本主题发明的切割组件的一个实施方式的示意图；
图15A是具有2.71度的切割角的1mm玻璃棒的照片；
图15B是具有8.36度的切割角的1mm玻璃棒的照片；和
图16A-16C是使用现有技术的技术切割的玻璃体的透视图照片。
发明详述
本发明一般地涉及用激光束104将玻璃体102切割至期望角度的组件100和方法。玻璃体102包含但不限于玻璃棒、毛细管、套圈、管和光纤。通常，玻璃体102是圆柱形的并且特别适用于斜面应用和光学应用(高功率和其他对背向反射、光散射、光束偏斜和光传输敏感的应用)。组件100可用于大于0度的角度，并且将在玻璃体102的端面106上产生角度而没有透镜或锥度。
参考图1，所示的用于切割玻璃体102的切割组件100的一个实施方式的透视图一般地具有激光器件108和旋转器件110。玻璃体102可包含玻璃棒、玻璃毛细管或光纤。玻璃体102具有至少125μm的直径，并且当与传统的电信级光纤相比较时，该直径被本领域普通技术人员认为是大直径。玻璃体102沿着纵向中心轴线C在第一端112和第二端114之间延伸。玻璃体102的第一端112呈现待切割或精加工的端面106。取决于特定应用，玻璃体102可以是任何期望的长度。玻璃体102可以是空心的或实心的。将玻璃体102的一个实施方式称为玻璃棒，优选地玻璃棒是实心的。在另一个实施方式中，当玻璃体102是玻璃毛细管时，玻璃毛细管可以是空心的。在又一个实施方式中，当玻璃体102是光纤时，光纤包括至少一个由玻璃材料形成的核心。任选地，光纤可以包含环绕核心的包层(未示出)和环绕核心的外敷层(未示出)。进一步，光纤可以包含多个核心。本主题发明可以用本文描述的各种不同类型的玻璃体中的任一种来实践，但是特别适用于超过125μm的大直径的实心玻璃棒。
激光器件108发射激光束104，优选地发射具有10.6μm波长的二氧化碳激光束104。应当理解的是具有不同类型的光束形状和不同波长的其他类型的激光器件108可以与本主题发明一起使用。例如，激光器件108可以是量子级联激光器、紫外准分子激光器、半导体激光器等，并且其可以发射波长在0.2和11μm之间的激光束104。激光器件108可以包含聚焦系统116以将激光束104引导和操纵到玻璃体102的第一端112。
参考图2，旋转器件110包含头部118，其围绕正交于由激光器件108发射的激光束104的中心轴线C旋转。定位夹具122可操作地被安装到头部118并且沿着中心轴线C轴向居中。定位夹具122由旋转器件110围绕中心轴线C可旋转地驱动。定位夹具122具有横向于中心轴线C并且相对于中心轴线C以预定角度θ支撑玻璃体102的锥面106。由于玻璃体102横向于中心轴线C被支撑，当激光束104被引导至玻璃体102时，定位夹具122围绕中心轴线C的旋转以期望的角度切割玻璃体102的端面106。
参考图3，定位夹具122具有外表面126、正面128和背面130。背面130限定了用于可操作地安装到头部118的固定件132。参考图6B和8B，固定件132进一步显示为是螺纹的。作为一个实例，固定件132可以是M6或0.25-32螺纹。
参考回图1和2，延伸器134可操作地安装在定位夹具122和头部118之间。延伸器134可操作地将定位夹具122固定到旋转器件110。此外，延伸器134还可以充当玻璃体102的辅助支撑，用于需要大物体围绕中心轴线C旋转的应用，如下面进一步讨论的。延长器134也可以在一端或两端是螺纹的，作为外螺纹接头或内螺纹接头。应当理解的是延长器134可以与某些类型的玻璃体102一起使用并且不与其他类型的玻璃体102一起使用。
本主题发明也可以包含可操作地安装在延长器134和头部118之间的适配器136。适配器136也可以在一端或两端是螺纹的，用于安装在延长器134和头部118之间。应当理解的是适配器136可以与某些类型的玻璃体102一起使用并且不与其他类型的玻璃体102一起使用。进一步，在一些实施方式中，在不背离本主题发明的情况下可以省略延长器134或适配器136。
参考图中所示的玻璃体102，玻璃体102在第一端112和第二端114之间延伸。定位夹具122的锥面106支撑玻璃体102，使得第一端112和第二端114可以保持横向于旋转器件110的中心轴线C，以及(如果存在)延长器134和适配器136。在图1和2所示的实施方式中，定位器具、延长器134和适配器136连接在一起并沿着中心轴线C轴向居中。
图3显示了沿着延长器134、适配器136和定位夹具122的中心轴线C。玻璃体102以沿着轴线L绘制的预定角度呈现。C和L之间的预定角度定义为θ，其是可根据锥面106控制的。
具体而言，参考图4，显示了切割器具的特写透视图。在这个实施方式中，定位夹具122具有整合于其中的延长器134并且定位夹具122围绕中心轴线C旋转。激光束104在玻璃体102的第一端112点切割玻璃体102，产生丢失的碎片S，然后所述碎片被丢掉。然后将玻璃体102的端面106转换成与期望的角度相匹配的成角度的几何形状。
图5显示了具有在正面128和背面130之间延伸的内孔138的定位夹具122，其中内孔138沿中心轴线C轴向居中。在各种实施方式中，定位夹具122可以具有锥形形状。锥面106被限定为外表面126中的在正面128和背面130之间延伸的通道140。锥面106具有从大于0度至45度的预定角度。在这个实施方式中，中心轴线C与玻璃体102的轴心L相同。因此，玻璃体102围绕C和L旋转，产生平坦的0°表面106几何形状。此类配置允许定位夹具122在面106上产生两种不同类型的表面几何形状，即具有期望角度和平坦几何形状的面106。本主题发明的一个优点是各种定位夹具122可以被制成具有不同的预定角度。因此，当在不同的玻璃体102上需要不同的角度时，选择具有合适锥面106的定位夹具122。这允许定位夹具122的快速更换，同时保持玻璃体102的精确切割。
图6A是图5所示的定位夹具122的透视图。图6B是横截面视图以及图6C是图5所示的定位夹具122的端视图。定位夹具122具有通道140，该通道140沿外表面126向下延伸以在预定角度θ限定锥面106。通道140确保在切割操作期间消除复角。在旋转和切割操作期间，预定角度控制切割。
图7是根据本发明使用定位夹具122形成的玻璃体102的特写示意图，并且该玻璃体在旋转时暴露于激光束104。玻璃体102的端面106具有期望的2度角。
现在参考图8A，显示了定位夹具122'的另一个实施方式。定位夹具122'包含正面128、背面130、外表面126和内孔138，但关于这个实施方式，定位夹具122'限定在内孔138内的锥面106。将尺寸设置在内孔138内的插入物142插入到内孔138中。锥面106限定在插入物142和内孔138之间，并且玻璃体102以预定角度固定于其间。具体而言，插入物142具有以预定角度倾斜以限定锥面106的外表面144。外表面144也可以包含通道140'。在此类实施方式中，可以使用多个不同的插入物142，其具有不同的预定角度，诸如2度、5度等。可选地，内孔138具有在预定角度以限定锥面106的倾斜表面146。倾斜表面146也可以包含通道140'。以类似的方式，可以制备具有内孔138的不同定位夹具122，所述内孔138具有可以很容易地改变的不同的预定角度，同时保持切割的精度。锥面106可以限定从大于0度或至少0.5度至45度的预定角度。
图8B是图8A所示的定位夹具122'的横截面视图，图8C是图8A所示的定位夹具122'的端视图。在这个实施方式中，玻璃体102位于内孔138内并通过插入物142固定在适当的位置。玻璃体102易于插入和移除并且不需要隧穿，因为玻璃体102通过锥形插入物142的楔入动力被固定。插入物142可设置在定位器内并且与内孔138的至少一部分匹配以固定玻璃体102。在一个实施方式中，内孔138可包含通道140'以接收玻璃体102。插入物142将玻璃体102保持在通道140'中。可选地，通道140可以在插入物142中形成。在又一个实施方式中，玻璃体102可以通过粘合等方式保持在适当的位置，以便可以在被切割之后将其移除。图8C显示了定位夹具122'、内孔138和插入物142的直径和厚度。
图9A和9B图解了定位夹具122'在其围绕中心轴线C旋转时在两个位置。在图9A中，玻璃体102的一个位置显示在-180度，并且在图9B中，玻璃体102的另一个位置显示在+180度。图9C显示了随着定位夹具122'旋转在90度间隔的玻璃棒，以虚线显示两个位置。在这个实施方式中，锥角为2度。
图10是在定位夹具122'的旋转内在-180度和+180度位置的玻璃体102的特写。玻璃体102的端部112、114在旋转期间是彼此的精确镜像，允许激光束104切割至期望的角度
Figure BDA0003781475620000051
预定角度θ对应于期望角度
Figure BDA0003781475620000052
图11显示了玻璃棒的多功能性，其可以通过本主题发明的切割组件100实现，所述切割组件100利用具有不同预定角度的定位夹具122、122'，使得可以获得玻璃体102切割角度的无限阵列。图11显示了具有第一端112的玻璃体102，所述第一端112具有从0度至任何期望的角度的期望角度。图11中图解的角度是相对于玻璃体102的轴心L的。轴心L具有由锥面124限定的预定角度。本领域的普通技术人员将90度角表示为0度切割。87.5、82和70度的实例将代表本领域普通技术人员的2.5、8和20度切割。
参考图12-14，显示了根据本主题发明的切割组件100的一个实施方式。具体而言，图12显示了连接到旋转器件110并为旋转器件110供电的DC电源120，如本领域普通技术人员众所周知的。图13显示了激光头118的光路，图14显示了照相机148和激光器件108以及其他光学器件。
参考图15A-15B，显示了使用图12-14中所示的切割组件100有效切割的1mm玻璃棒的特写照片。具体而言，在图15A中，玻璃棒的末端已经切割至8.36度的角，其中目标值为8.0度。在图16B中，玻璃棒的末端已经切割至2.71度的角，其中目标值为2.5度。
为了说明的目的和显示本发明的重要性，在没有本发明的实施方式的情况下在激光切割过程期间旋转玻璃体102将产生如图16A-16C的照片中所示的圆锥形或锥面106。这些方法通常不能在没有这些类型的损害和不规则性的情况下产生大于0度的平角。虽然在大直径光纤的激光加工期间围绕其轴心L旋转玻璃体102可以减少入射/出射效应并产生适合光学级传输的表面，但这种方法仅适用于平(0°)切割。图16A-16C显示了玻璃体102，其仅旋转其正交于激光束104的轴心L并且获得不可接受的圆锥形或锥面几何形状。
已经以说明性方式描述了本发明，并且应当理解的是所使用的术语意在描述词语的性质而不是限制词语的性质。现在对本领域普通技术人员显而易见的是，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，应当理解的是本发明可以以不同于具体描述的方式实践。

Claims (19)

1.一种切割组件，其用于以大于0度的期望角度和以减少的光散射或吸收损害切割玻璃体，所述玻璃体具有端面，所述组件包括
激光器件，其用于发射激光束；
旋转器件，其包括围绕正交于所述激光束的中心轴线旋转的头部；
定位夹具，其可操作地安装到所述头部并且沿着所述中心轴线轴向居中，所述定位夹具由所述旋转器件可旋转地驱动；和
其中所述定位夹具具有锥面，其横向于所述中心轴线并且在相对于所述中心轴线以预定角度支撑所述玻璃体，并且其中由于所述玻璃体被横向于所述中心轴线支撑，所述定位夹具围绕所述中心轴线的旋转以所述期望角度切割所述玻璃体的端面。
2.根据权利要求1所述的切割组件，其中所述定位夹具具有外表面、正面和背面，所述背面限定用于可操作地安装到所述头部的固定件。
3.根据权利要求2所述的切割组件，其中所述固定件进一步限定为是螺纹的。
4.根据权利要求2所述的切割组件，进一步包括可操作地安装在所述定位夹具和所述头部之间的延长器。
5.根据权利要求4所述的切割组件，进一步包括可操作地安装在所述延长器和所述头部之间的适配器。
6.根据权利要求5所述的切割组件，其中所述头部是螺纹的。
7.根据权利要求6所述的切割组件，其中所述适配器是螺纹的，并且其中所述延长器是螺纹的，以便彼此安装。
8.根据权利要求2所述的切割组件，其中所述定位夹具进一步包括内孔，其在所述正面和所述背面之间延伸，所述内孔沿着所述中心轴线轴向居中。
9.根据权利要求8所述的切割组件，其中所述锥面限定为在所述外表面中的在所述正面和所述背面之间延伸的通道。
10.根据权利要求9所述的切割组件，其中所述锥面具有从大于0度至45度的所述预定角度。
11.根据权利要求8所述的切割组件，进一步包括尺寸设置在所述内孔内的插入物，并且所述锥面限定在所述内孔内以在所述预定角度固定所述玻璃体。
12.根据权利要求11所述的切割组件，其中所述插入物进一步包括在所述预定角度倾斜以限定所述锥面的外表面。
13.根据权利要求11所述的切割组件，其中所述内孔进一步在所述预定角度的倾斜表面以限定所述锥面。
14.根据权利要求11所述的切割组件，其中所述锥面具有从0.5度至45度的所述预定角度。
15.一种用切割组件切割玻璃体的方法，所述切割组件包含：激光器件，其用于发射激光束；旋转器件，其具有头部；以及定位夹具，所述方法包括以下步骤：
将所述旋转器件和所述定位夹具沿着正交于所述激光束的中心轴线中心对齐定位；
将所述定位夹具安装到所述旋转器件的头部；
沿着所述定位夹具的锥面支撑所述玻璃体，所述锥面以预定角度横向于所述中心轴线延伸；
使所述定位夹具和所述旋转器件的头部围绕所述中心轴线旋转，同时所述玻璃体以所述预定角度被支撑，使得所述激光束以对应于所述预定角度的期望角度切割所述玻璃体的端面。
16.根据权利要求15所述的方法，其中用所述锥面支撑所述玻璃体的步骤进一步限定为将所述玻璃体设置在所述定位夹具的外表面的通道中，所述通道限定所述预定角度。
17.根据权利要求15所述的方法，其中用所述锥面支撑所述玻璃体的步骤进一步限定为将所述玻璃体设置在限定所述预定角度的所述定位夹具的内孔内。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将插入物插入到所述内孔中以限定所述预定角度的步骤。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述锥面具有从大于0度至45度的所述预定角度。
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