一种基于超短脉冲激光的光纤切割装置及切割方法与流程

本发明属于光纤加工领域，具体涉及一种基于超短脉冲激光的光纤切割装置及切割方法。

背景技术：

光纤熔接或者耦合是光纤工程应用中的关键技术，两者需要光纤端面尽可能光滑。此外，为了减小异质光纤耦合时的反射，还需要对光纤进行角度切割。目前使用最广泛的光纤切割技术是利用机械刀具进行切割。这种方法由于光纤和刀具直接接触，容易造成光纤端面的崩裂。特别地，对于近些年兴起的空心光子晶体光纤，其结构为周期性微孔组成，采用机械刀具切割容易破坏端面上的微孔结构。为了避免机械刀具切割时的应力，激光切割技术成为另一个重要选择。目前激光切割光纤技术中通常采用CO₂辐照光纤产生的热效应将光纤熔断，该方法容易使光纤端面产生变形。对于光子晶体光纤，其中的薄壁结构更容易被破坏。

超短脉冲激光具有极高的峰值功率，聚焦后可对任意材料基于非线性效应进行加工。此外由于其脉冲宽度极窄，相对于长脉冲加工可以极大地减小热效应。近年来超短脉冲激光微纳加工技术已经引起了大家广泛的关注。有研究者对利用超短脉冲烧蚀直接切割光纤进行了研究，但是很难获得与机械切割相同水平的光纤端面。这是由于超短脉冲激光烧蚀是一种强相互作用，烧蚀时产生的高温碎屑再沉积到光纤端面时常常引起光纤端面的二次损伤，很难获得光滑的端面。而采用步进式多次扫描则很难消除连接痕迹。专利201110001367.1提出了一种利用超短脉冲激光定点切割光纤的方法，然而该方法无法对光纤进行斜切割。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于超短脉冲激光的光纤切割装置及切割方法，能够在普通石英光纤和光子晶体光纤等特种光纤上切割出具有光学平整度的垂直或倾斜光纤端面，光纤的切割角度能够自由进行调整和控制。

为了实现上述目的，本发明基于超短脉冲激光的光纤切割装置采用的技术方案为：包括设置在三维电动平移台上的角度旋转平台，角度旋转平台上固定光纤；所述光纤的上方设有显微物镜，激光器发射出的激光经过二向色镜反射至显微物镜，显微物镜对激光进行聚焦后切割光纤的表面；二向色镜上方设有用于观测显微物镜聚焦位置的成像透镜以及CCD探测器；激光器上安装光学快门，光学快门与三维电动平移台分别经过控制器连接计算机，计算机的输入端接收CCD探测器观测到的聚焦位置数据并输出显示在其屏幕上。

所述的三维电动平移台和角度旋转平台具有带通光孔的载物台，且载物台的下方设置有用于在光纤成像观测时进行照明的照明光源。

所述的角度旋转平台上安装有用于固定光纤的V型槽光纤磁力夹具，且在光纤表面的待切割位置两侧分别安装有一个V型槽光纤磁力夹具。

激光器发射1000Hz重复频率的飞秒激光，三维电动平移台的扫描速率<2000μm/s。

显微物镜的放大倍数为5～100，进行聚焦的激光具有1mW～8mW的功率。

所述显微物镜的放大倍数为20。

激光器发射出的激光经过可变衰减器投至二向色镜。

所述三维电动平移台的定位精度优于1μm。

本发明基于超短脉冲激光的光纤切割装置的切割方法包括以下步骤：

首先利用聚焦的激光通过定点辐照或沿设定角度扫描在光纤上形成微槽，然后从微槽的相对面垂直于光纤轴施加应力使光纤沿微槽裂开，完成切割。

具体地包括以下步骤：步骤一、在三维电动平移台上安装角度旋转平台，并将光纤固定在角度旋转平台上；步骤二、通过成像透镜和CCD探测器观测显微物镜的聚焦位置，将光纤的待切位置移动至焦点；步骤三、打开激光器使激光发射，利用显微物镜将激光聚焦至光纤上，沿设定角度扫描激光或移动三维电动平移台使激光在光纤上切割出微槽；步骤四、将带有凹槽的压断梁移动至微槽的相对侧，使微槽对准压断梁上凹槽的中心且与微槽的方向平行，利用压断梁垂直于光纤轴顶进行下压，使光纤折断，完成切割。

与现有技术相比，本发明切割装置及切割方法能够在各种材料光纤上实现微米量级定长度及高精度特定角度切割，包括单模或多模石英光纤、碲酸盐等玻璃光纤、有源光纤、实芯或者空心光子晶体光纤、蓝宝石光纤等。对空心光子晶体光纤能够避免机械切割时的压力从而保护微结构。激光刻蚀微槽深度远远小于光纤包层半径，远离纤芯，无烧蚀产物对光纤端面影响，从而能够切割出洁净的光纤端面；采用超短脉冲激光进行刻蚀，无需像长脉冲激光加工时需要根据材料选择激光波长，更重要的是能够避免长脉冲或者连续激光加工中由于热效应引起的光纤端面变形。利用高精度的三维电动平移台及成像系统辅助观察，能够精确设定光纤的切割位置，角度旋转平台能够任意调整光纤角度，该装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1本发明光纤切割装置的结构示意图；

图2本发明光纤切割时的激光扫描示意图；

图3本发明光纤切割后的压断示意图；

图4(a)本发明压断部件整体结构示意图；

图4(b)本发明压断梁的左视图；

图4(c)本发明压断梁的俯视图；

图5本发明垂直切割SMF-28石英光纤获得的光纤端面扫描电子显微SEM图像；

图6本发明垂直切割实芯光子晶体光纤得到的光纤端面的SEM图像；

图7本发明垂直切割空心光子晶体光纤得到的光纤端面的SEM图像；

图8(a)本发明切割空心光子晶体光纤带有15°倾斜角的加工端面结果光学显微侧视图；

图8(b)本发明切割空心光子晶体光纤带有15°倾斜角的加工端面结果光学显微正视图。

附图中：1.激光器；2.激光；3.光学快门；4.可变衰减器；5.二向色镜；6.显微物镜；7.V型槽光纤磁力夹具；8.光纤；9.角度旋转平台；10.三维电动平移台；11.控制器；12.成像透镜；13.CCD探测器；14.计算机；15.微槽；16.压断梁；17.压断梁控制台；18.照明光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明基于超短脉冲激光的光纤切割装置包括设置在三维电动平移台10上的角度旋转平台9，角度旋转平台9上固定光纤8，角度旋转平台9上安装有用于固定光纤8的V型槽光纤磁力夹具7，且在光纤8表面的待切割位置两侧分别安装有一个V型槽光纤磁力夹具7。光纤8的上方设置有显微物镜6，激光器1发射出的激光2经过二向色镜5反射至显微物镜6，显微物镜6对激光2进行聚焦后切割光纤8的表面。激光器1发射出的激光2经过可变衰减器4投至二向色镜5。二向色镜5上方设有用于观测显微物镜6聚焦位置的成像透镜12以及CCD探测器13，CCD探测器13测量数据连接到计算机14输入端并输出到其显示器端显示，构成成像系统；激光器1上安装光学快门3，光学快门3与三维电动平移台10分别经过控制器11连接计算机14，计算机14的输入端接收CCD探测器13观测到的聚焦位置成像数据。三维电动平移台10和角度旋转平台9具有带通光孔的载物台，且载物台的下方设置有用于在光纤成像观测时进行照明的照明光源18。该切割装置激光器1发射出的激光2为1000Hz重复频率的飞秒激光，三维电动平移台10的扫描速率<2000μm/s。显微物镜6的放大倍数为5～100，典型地选择20倍，激光器1发射出的激光2经过可变衰减器4后具有1mW～8mW的功率。三维电动平移台10的定位精度优于1μm。

参见图2，3，本发明基于超短脉冲激光的光纤角度切割方法，包括以下步骤：

1)将光纤8固定在三维电动平移台10上；将光纤8两端利用V型槽光纤磁力夹具7固定在三维电动平移台10上，固定时两端轻微用力使光纤8不弯曲，以自由状态固定。

2)利用成像系统观测光纤位置，移动光纤8使激光2聚焦在光纤8的上表面，利用三维电动平移台10移动光纤8使激光2对准待切割位置。激光2焦点在垂直激光传输方向平面内位置预先在二维观察视野中的标定，聚焦深度位置以光纤8的顶端在成像系统中清晰成像位置为参照，根据加工结果调整优化。上述操作中激光2的能量低于光纤8的破坏阈值。

3)打开超短脉冲的激光器1，利用显微物镜6将超短脉冲激光聚焦至光纤8上，设定好平台移动速率和激光功率，利用三维电动平移台10将光纤8移动至待刻蚀微槽15的起点，将电控光学快门3打开，使激光2辐照在光纤8上，同时将三维电动平移台10沿设定的方向进行扫描，在光纤8的表面刻蚀出微槽15，扫描完毕关闭光学快门3。

4)将带有微槽15的压断梁16移动至光纤的微槽15相对面，利用压断梁16从微槽15的相对面垂直与光纤轴压光纤，使光纤折断，完成切割；

参见图4(a)，图4(b)，图4(c)，本发明切割装置的压断梁16装在压断梁控制台17上，压断梁控制台17为微型五轴控制平台，将带有微槽15的压断梁16移动至光纤微槽15的相对侧，旋转压断梁16的角度使光纤8切割出的微槽15与压断梁16的凹槽平行，调节压断梁16的位置使光纤8上的刻蚀微槽15对准压断梁中心位置附近，移动压断梁16使其顶压光纤8直至光纤8断开，上述操作在成像系统的辅助下完成。

实施例1

本实施例以切割石英SMF-28光纤为例，具体如下：

原始材料：石英光纤SMF-28；

超短脉冲激光：50fs，800nm，1000Hz；

SMF-28光纤垂直切割的详细阐述如下：

(1)将光纤8固定于电动平移台10上，利用带有V型槽光纤磁力夹具7固定；

(2)选择20×、数值孔径0.45的显微物镜6，在成像透镜12和CCD探测器13辅助观察下，将光纤刻槽位置的起点移动至飞秒激光2经显微物镜6的聚焦位置处，调节三维电动平移台10，使光纤8的顶端在成像系统中清晰成像，并将该位置在激光传输轴向Z轴的坐标定义为0，靠近显微物镜方向定义为负，远离显微物镜方向定义为正。

(3)利用三维电动平移台10将光纤8在Z轴位置设置为20μm，根据扫描移动平台使激光对准待刻槽位置起点。激光功率设置为2mW，扫描速度设置为100μm/s。打开光学快门3使飞秒激光2经过显微物镜6聚焦在光纤8，同时通过程序控制三维电动平移台10带动光纤8沿垂直光纤8轴向方向移动，在光纤8上刻蚀出长度为60μm的微槽15。

(4)在成像系统辅助下通过调节压断梁控制台17使压断梁16上的凹槽从激光刻蚀位置的相对面对准刻蚀的微槽15，凹槽与微槽15的方向平行，且微槽15对准凹槽的中心位置。移动压断梁16顶压光纤使其折断，完成光纤8的切割。

参见图5，从图中能够看出切割出的光纤端面光滑平整，没有烧蚀碎屑污染。边缘处刻蚀深度小于20μm，烧蚀区域远离纤芯传输模场区域，不会对光纤内传输激光的模场产生影响。

实施例2

原始材料：实芯光子晶体光纤；

超短脉冲激光：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纤的固定参考实施例1的相应过程。

(2)光纤8与激光2聚焦点的相对位置调整方法参考实施例1的相应过程。

(3)利用三维电动平移台10将光纤8在Z轴位置设置为20μm，根据扫描移动平台使激光对准待刻槽位置的起点。激光功率设置为2mW，扫描速度设置为100μm/s。打开光学快门3使飞秒激光2经过显微物镜聚焦在光纤，同时通过程序控制三维电动平移台带动光纤沿垂直光纤8轴向方向移动，在光纤上刻蚀出长度为60μm的微槽15。

(4)在成像系统辅助下通过调节压断梁控制台17使压断梁16上的凹槽从激光刻蚀位置的相对面对准刻蚀的微槽15，凹槽15与微槽的方向平行，且微槽对准凹槽15的中心位置。移动压断梁16顶压光纤8使其折断，完成光纤切割。

参见图6，从图中能够看出切割出的光纤端面光滑平整，没有烧蚀碎屑污染。边缘处刻蚀深度小于20μm，不会对光纤内传输激光的模场产生影响。端面上的空孔结构无损伤。

实施例3

原始材料：空心光子晶体光纤；

超短脉冲激光：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纤8的固定参考实施例1的相应过程。

(2)光纤8与激光2聚焦点的相对位置调整方法参考实施例1的相应过程。

(3)利用三维电动平移台10将光纤在Z轴位置设置为20μm，根据扫描移动平台使激光对准待刻槽位置起点。激光功率设置为1.5mW，扫描速度设置为100μm/s。打开光学快门3使飞秒激光2经过显微物镜6聚焦在光纤8上，同时通过程序控制三维电动平移台10带动光纤8沿垂直光纤8轴向方向移动，在光纤8上刻蚀出长度为60μm的微槽15。

(4)在成像系统辅助下通过调节压断梁控制台17使压断梁16上的凹槽从激光刻蚀位置的相对面对准刻蚀的微槽15，凹槽与微槽15的方向平行，且微槽15对准凹槽的中心位置。移动压断梁16顶压光纤8使其折断，完成光纤8的切割。

参见图7，从图中能够看出切割出的光纤端面光滑平整，没有烧蚀碎屑污染。边缘处刻蚀深度小于20μm，不会对光纤内传输激光的模场产生影响。端面上的空孔结构无损伤。

实施例4

原始材料：空心光子晶体光纤，倾斜15°切割；

超短脉冲激光：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纤8的固定参考实施例1的相应过程，固定完成之后使用角度旋转平台9旋转光纤8，使得光纤8轴线方向与X轴夹角为15°。

(2)光纤8与激光2聚焦点的相对位置调整方法参考实施例1的相应过程。

(3)利用三维电动平移台10将光纤8在Z轴位置设置为20μm，根据扫描移动平台使激光对准待刻槽位置起点。激光功率设置为1.5mW，扫描速度设置为100μm/s。打开光学快门3使飞秒激光2经过显微物镜聚焦在光纤8上，同时通过程序控制三维电动平移10带动光纤8沿设定方向移动，在光纤8上刻蚀出长度为60μm的微槽15。

(4)在成像系统辅助下通过旋转压断梁16的角度使压断梁16上的凹槽从激光刻蚀位置的相对面对准刻蚀的微槽15，凹槽与微槽15的方向平行，且微槽15对准凹槽的中心位置。移动压断梁16顶压光纤8使其折断，完成光纤8的切割。

参见图8(a)，图8(b)，本发明光纤切割方法利用聚焦的飞秒激光在光纤表面沿设定角度切割出微槽，然后利用压断梁从微槽相对侧顶压光纤，使光纤沿着微槽方向裂开，实现垂直或角度切割。该方法可实现各种材料光纤的微米量级定长度及高精度特定角度切割。使用该方法切割得到的光纤端面平滑，无烧蚀产物，特别适用于具有微结构的特殊光纤的切割。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。