本發(fā)明屬于光纖加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于超短脈沖激光的光纖切割裝置及切割方法。

背景技術(shù)：

光纖熔接或者耦合是光纖工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，兩者需要光纖端面盡可能光滑。此外，為了減小異質(zhì)光纖耦合時(shí)的反射，還需要對(duì)光纖進(jìn)行角度切割。目前使用最廣泛的光纖切割技術(shù)是利用機(jī)械刀具進(jìn)行切割。這種方法由于光纖和刀具直接接觸，容易造成光纖端面的崩裂。特別地，對(duì)于近些年興起的空心光子晶體光纖，其結(jié)構(gòu)為周期性微孔組成，采用機(jī)械刀具切割容易破壞端面上的微孔結(jié)構(gòu)。為了避免機(jī)械刀具切割時(shí)的應(yīng)力，激光切割技術(shù)成為另一個(gè)重要選擇。目前激光切割光纖技術(shù)中通常采用CO₂輻照光纖產(chǎn)生的熱效應(yīng)將光纖熔斷，該方法容易使光纖端面產(chǎn)生變形。對(duì)于光子晶體光纖，其中的薄壁結(jié)構(gòu)更容易被破壞。

超短脈沖激光具有極高的峰值功率，聚焦后可對(duì)任意材料基于非線性效應(yīng)進(jìn)行加工。此外由于其脈沖寬度極窄，相對(duì)于長(zhǎng)脈沖加工可以極大地減小熱效應(yīng)。近年來(lái)超短脈沖激光微納加工技術(shù)已經(jīng)引起了大家廣泛的關(guān)注。有研究者對(duì)利用超短脈沖燒蝕直接切割光纖進(jìn)行了研究，但是很難獲得與機(jī)械切割相同水平的光纖端面。這是由于超短脈沖激光燒蝕是一種強(qiáng)相互作用，燒蝕時(shí)產(chǎn)生的高溫碎屑再沉積到光纖端面時(shí)常常引起光纖端面的二次損傷，很難獲得光滑的端面。而采用步進(jìn)式多次掃描則很難消除連接痕跡。專(zhuān)利201110001367.1提出了一種利用超短脈沖激光定點(diǎn)切割光纖的方法，然而該方法無(wú)法對(duì)光纖進(jìn)行斜切割。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種基于超短脈沖激光的光纖切割裝置及切割方法，能夠在普通石英光纖和光子晶體光纖等特種光纖上切割出具有光學(xué)平整度的垂直或傾斜光纖端面，光纖的切割角度能夠自由進(jìn)行調(diào)整和控制。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于超短脈沖激光的光纖切割裝置采用的技術(shù)方案為：包括設(shè)置在三維電動(dòng)平移臺(tái)上的角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上固定光纖；所述光纖的上方設(shè)有顯微物鏡，激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過(guò)二向色鏡反射至顯微物鏡，顯微物鏡對(duì)激光進(jìn)行聚焦后切割光纖的表面；二向色鏡上方設(shè)有用于觀測(cè)顯微物鏡聚焦位置的成像透鏡以及CCD探測(cè)器；激光器上安裝光學(xué)快門(mén)，光學(xué)快門(mén)與三維電動(dòng)平移臺(tái)分別經(jīng)過(guò)控制器連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的輸入端接收CCD探測(cè)器觀測(cè)到的聚焦位置數(shù)據(jù)并輸出顯示在其屏幕上。

所述的三維電動(dòng)平移臺(tái)和角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)具有帶通光孔的載物臺(tái)，且載物臺(tái)的下方設(shè)置有用于在光纖成像觀測(cè)時(shí)進(jìn)行照明的照明光源。

所述的角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝有用于固定光纖的V型槽光纖磁力夾具，且在光纖表面的待切割位置兩側(cè)分別安裝有一個(gè)V型槽光纖磁力夾具。

激光器發(fā)射1000Hz重復(fù)頻率的飛秒激光，三維電動(dòng)平移臺(tái)的掃描速率<2000μm/s。

顯微物鏡的放大倍數(shù)為5～100，進(jìn)行聚焦的激光具有1mW～8mW的功率。

所述顯微物鏡的放大倍數(shù)為20。

激光器發(fā)射出的激光經(jīng)過(guò)可變衰減器投至二向色鏡。

所述三維電動(dòng)平移臺(tái)的定位精度優(yōu)于1μm。

本發(fā)明基于超短脈沖激光的光纖切割裝置的切割方法包括以下步驟：

首先利用聚焦的激光通過(guò)定點(diǎn)輻照或沿設(shè)定角度掃描在光纖上形成微槽，然后從微槽的相對(duì)面垂直于光纖軸施加應(yīng)力使光纖沿微槽裂開(kāi)，完成切割。

具體地包括以下步驟：步驟一、在三維電動(dòng)平移臺(tái)上安裝角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，并將光纖固定在角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上；步驟二、通過(guò)成像透鏡和CCD探測(cè)器觀測(cè)顯微物鏡的聚焦位置，將光纖的待切位置移動(dòng)至焦點(diǎn)；步驟三、打開(kāi)激光器使激光發(fā)射，利用顯微物鏡將激光聚焦至光纖上，沿設(shè)定角度掃描激光或移動(dòng)三維電動(dòng)平移臺(tái)使激光在光纖上切割出微槽；步驟四、將帶有凹槽的壓斷梁移動(dòng)至微槽的相對(duì)側(cè)，使微槽對(duì)準(zhǔn)壓斷梁上凹槽的中心且與微槽的方向平行，利用壓斷梁垂直于光纖軸頂進(jìn)行下壓，使光纖折斷，完成切割。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明切割裝置及切割方法能夠在各種材料光纖上實(shí)現(xiàn)微米量級(jí)定長(zhǎng)度及高精度特定角度切割，包括單模或多模石英光纖、碲酸鹽等玻璃光纖、有源光纖、實(shí)芯或者空心光子晶體光纖、藍(lán)寶石光纖等。對(duì)空心光子晶體光纖能夠避免機(jī)械切割時(shí)的壓力從而保護(hù)微結(jié)構(gòu)。激光刻蝕微槽深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光纖包層半徑，遠(yuǎn)離纖芯，無(wú)燒蝕產(chǎn)物對(duì)光纖端面影響，從而能夠切割出潔凈的光纖端面；采用超短脈沖激光進(jìn)行刻蝕，無(wú)需像長(zhǎng)脈沖激光加工時(shí)需要根據(jù)材料選擇激光波長(zhǎng)，更重要的是能夠避免長(zhǎng)脈沖或者連續(xù)激光加工中由于熱效應(yīng)引起的光纖端面變形。利用高精度的三維電動(dòng)平移臺(tái)及成像系統(tǒng)輔助觀察，能夠精確設(shè)定光纖的切割位置，角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠任意調(diào)整光纖角度，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明光纖切割裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明光纖切割時(shí)的激光掃描示意圖；

圖3本發(fā)明光纖切割后的壓斷示意圖；

圖4(a)本發(fā)明壓斷部件整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(b)本發(fā)明壓斷梁的左視圖；

圖4(c)本發(fā)明壓斷梁的俯視圖；

圖5本發(fā)明垂直切割SMF-28石英光纖獲得的光纖端面掃描電子顯微SEM圖像；

圖6本發(fā)明垂直切割實(shí)芯光子晶體光纖得到的光纖端面的SEM圖像；

圖7本發(fā)明垂直切割空心光子晶體光纖得到的光纖端面的SEM圖像；

圖8(a)本發(fā)明切割空心光子晶體光纖帶有15°傾斜角的加工端面結(jié)果光學(xué)顯微側(cè)視圖；

圖8(b)本發(fā)明切割空心光子晶體光纖帶有15°傾斜角的加工端面結(jié)果光學(xué)顯微正視圖。

附圖中：1.激光器；2.激光；3.光學(xué)快門(mén)；4.可變衰減器；5.二向色鏡；6.顯微物鏡；7.V型槽光纖磁力夾具；8.光纖；9.角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；10.三維電動(dòng)平移臺(tái)；11.控制器；12.成像透鏡；13.CCD探測(cè)器；14.計(jì)算機(jī)；15.微槽；16.壓斷梁；17.壓斷梁控制臺(tái)；18.照明光源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明基于超短脈沖激光的光纖切割裝置包括設(shè)置在三維電動(dòng)平移臺(tái)10上的角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9，角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9上固定光纖8，角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9上安裝有用于固定光纖8的V型槽光纖磁力夾具7，且在光纖8表面的待切割位置兩側(cè)分別安裝有一個(gè)V型槽光纖磁力夾具7。光纖8的上方設(shè)置有顯微物鏡6，激光器1發(fā)射出的激光2經(jīng)過(guò)二向色鏡5反射至顯微物鏡6，顯微物鏡6對(duì)激光2進(jìn)行聚焦后切割光纖8的表面。激光器1發(fā)射出的激光2經(jīng)過(guò)可變衰減器4投至二向色鏡5。二向色鏡5上方設(shè)有用于觀測(cè)顯微物鏡6聚焦位置的成像透鏡12以及CCD探測(cè)器13，CCD探測(cè)器13測(cè)量數(shù)據(jù)連接到計(jì)算機(jī)14輸入端并輸出到其顯示器端顯示，構(gòu)成成像系統(tǒng)；激光器1上安裝光學(xué)快門(mén)3，光學(xué)快門(mén)3與三維電動(dòng)平移臺(tái)10分別經(jīng)過(guò)控制器11連接計(jì)算機(jī)14，計(jì)算機(jī)14的輸入端接收CCD探測(cè)器13觀測(cè)到的聚焦位置成像數(shù)據(jù)。三維電動(dòng)平移臺(tái)10和角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9具有帶通光孔的載物臺(tái)，且載物臺(tái)的下方設(shè)置有用于在光纖成像觀測(cè)時(shí)進(jìn)行照明的照明光源18。該切割裝置激光器1發(fā)射出的激光2為1000Hz重復(fù)頻率的飛秒激光，三維電動(dòng)平移臺(tái)10的掃描速率<2000μm/s。顯微物鏡6的放大倍數(shù)為5～100，典型地選擇20倍，激光器1發(fā)射出的激光2經(jīng)過(guò)可變衰減器4后具有1mW～8mW的功率。三維電動(dòng)平移臺(tái)10的定位精度優(yōu)于1μm。

參見(jiàn)圖2，3，本發(fā)明基于超短脈沖激光的光纖角度切割方法，包括以下步驟：

1)將光纖8固定在三維電動(dòng)平移臺(tái)10上；將光纖8兩端利用V型槽光纖磁力夾具7固定在三維電動(dòng)平移臺(tái)10上，固定時(shí)兩端輕微用力使光纖8不彎曲，以自由狀態(tài)固定。

2)利用成像系統(tǒng)觀測(cè)光纖位置，移動(dòng)光纖8使激光2聚焦在光纖8的上表面，利用三維電動(dòng)平移臺(tái)10移動(dòng)光纖8使激光2對(duì)準(zhǔn)待切割位置。激光2焦點(diǎn)在垂直激光傳輸方向平面內(nèi)位置預(yù)先在二維觀察視野中的標(biāo)定，聚焦深度位置以光纖8的頂端在成像系統(tǒng)中清晰成像位置為參照，根據(jù)加工結(jié)果調(diào)整優(yōu)化。上述操作中激光2的能量低于光纖8的破壞閾值。

3)打開(kāi)超短脈沖的激光器1，利用顯微物鏡6將超短脈沖激光聚焦至光纖8上，設(shè)定好平臺(tái)移動(dòng)速率和激光功率，利用三維電動(dòng)平移臺(tái)10將光纖8移動(dòng)至待刻蝕微槽15的起點(diǎn)，將電控光學(xué)快門(mén)3打開(kāi)，使激光2輻照在光纖8上，同時(shí)將三維電動(dòng)平移臺(tái)10沿設(shè)定的方向進(jìn)行掃描，在光纖8的表面刻蝕出微槽15，掃描完畢關(guān)閉光學(xué)快門(mén)3。

4)將帶有微槽15的壓斷梁16移動(dòng)至光纖的微槽15相對(duì)面，利用壓斷梁16從微槽15的相對(duì)面垂直與光纖軸壓光纖，使光纖折斷，完成切割；

參見(jiàn)圖4(a)，圖4(b)，圖4(c)，本發(fā)明切割裝置的壓斷梁16裝在壓斷梁控制臺(tái)17上，壓斷梁控制臺(tái)17為微型五軸控制平臺(tái)，將帶有微槽15的壓斷梁16移動(dòng)至光纖微槽15的相對(duì)側(cè)，旋轉(zhuǎn)壓斷梁16的角度使光纖8切割出的微槽15與壓斷梁16的凹槽平行，調(diào)節(jié)壓斷梁16的位置使光纖8上的刻蝕微槽15對(duì)準(zhǔn)壓斷梁中心位置附近，移動(dòng)壓斷梁16使其頂壓光纖8直至光纖8斷開(kāi)，上述操作在成像系統(tǒng)的輔助下完成。

實(shí)施例1

本實(shí)施例以切割石英SMF-28光纖為例，具體如下：

原始材料：石英光纖SMF-28；

超短脈沖激光：50fs，800nm，1000Hz；

SMF-28光纖垂直切割的詳細(xì)闡述如下：

(1)將光纖8固定于電動(dòng)平移臺(tái)10上，利用帶有V型槽光纖磁力夾具7固定；

(2)選擇20×、數(shù)值孔徑0.45的顯微物鏡6，在成像透鏡12和CCD探測(cè)器13輔助觀察下，將光纖刻槽位置的起點(diǎn)移動(dòng)至飛秒激光2經(jīng)顯微物鏡6的聚焦位置處，調(diào)節(jié)三維電動(dòng)平移臺(tái)10，使光纖8的頂端在成像系統(tǒng)中清晰成像，并將該位置在激光傳輸軸向Z軸的坐標(biāo)定義為0，靠近顯微物鏡方向定義為負(fù)，遠(yuǎn)離顯微物鏡方向定義為正。

(3)利用三維電動(dòng)平移臺(tái)10將光纖8在Z軸位置設(shè)置為20μm，根據(jù)掃描移動(dòng)平臺(tái)使激光對(duì)準(zhǔn)待刻槽位置起點(diǎn)。激光功率設(shè)置為2mW，掃描速度設(shè)置為100μm/s。打開(kāi)光學(xué)快門(mén)3使飛秒激光2經(jīng)過(guò)顯微物鏡6聚焦在光纖8，同時(shí)通過(guò)程序控制三維電動(dòng)平移臺(tái)10帶動(dòng)光纖8沿垂直光纖8軸向方向移動(dòng)，在光纖8上刻蝕出長(zhǎng)度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統(tǒng)輔助下通過(guò)調(diào)節(jié)壓斷梁控制臺(tái)17使壓斷梁16上的凹槽從激光刻蝕位置的相對(duì)面對(duì)準(zhǔn)刻蝕的微槽15，凹槽與微槽15的方向平行，且微槽15對(duì)準(zhǔn)凹槽的中心位置。移動(dòng)壓斷梁16頂壓光纖使其折斷，完成光纖8的切割。

參見(jiàn)圖5，從圖中能夠看出切割出的光纖端面光滑平整，沒(méi)有燒蝕碎屑污染。邊緣處刻蝕深度小于20μm，燒蝕區(qū)域遠(yuǎn)離纖芯傳輸模場(chǎng)區(qū)域，不會(huì)對(duì)光纖內(nèi)傳輸激光的模場(chǎng)產(chǎn)生影響。

實(shí)施例2

原始材料：實(shí)芯光子晶體光纖；

超短脈沖激光：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纖的固定參考實(shí)施例1的相應(yīng)過(guò)程。

(2)光纖8與激光2聚焦點(diǎn)的相對(duì)位置調(diào)整方法參考實(shí)施例1的相應(yīng)過(guò)程。

(3)利用三維電動(dòng)平移臺(tái)10將光纖8在Z軸位置設(shè)置為20μm，根據(jù)掃描移動(dòng)平臺(tái)使激光對(duì)準(zhǔn)待刻槽位置的起點(diǎn)。激光功率設(shè)置為2mW，掃描速度設(shè)置為100μm/s。打開(kāi)光學(xué)快門(mén)3使飛秒激光2經(jīng)過(guò)顯微物鏡聚焦在光纖，同時(shí)通過(guò)程序控制三維電動(dòng)平移臺(tái)帶動(dòng)光纖沿垂直光纖8軸向方向移動(dòng)，在光纖上刻蝕出長(zhǎng)度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統(tǒng)輔助下通過(guò)調(diào)節(jié)壓斷梁控制臺(tái)17使壓斷梁16上的凹槽從激光刻蝕位置的相對(duì)面對(duì)準(zhǔn)刻蝕的微槽15，凹槽15與微槽的方向平行，且微槽對(duì)準(zhǔn)凹槽15的中心位置。移動(dòng)壓斷梁16頂壓光纖8使其折斷，完成光纖切割。

參見(jiàn)圖6，從圖中能夠看出切割出的光纖端面光滑平整，沒(méi)有燒蝕碎屑污染。邊緣處刻蝕深度小于20μm，不會(huì)對(duì)光纖內(nèi)傳輸激光的模場(chǎng)產(chǎn)生影響。端面上的空孔結(jié)構(gòu)無(wú)損傷。

實(shí)施例3

原始材料：空心光子晶體光纖；

超短脈沖激光：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纖8的固定參考實(shí)施例1的相應(yīng)過(guò)程。

(2)光纖8與激光2聚焦點(diǎn)的相對(duì)位置調(diào)整方法參考實(shí)施例1的相應(yīng)過(guò)程。

(3)利用三維電動(dòng)平移臺(tái)10將光纖在Z軸位置設(shè)置為20μm，根據(jù)掃描移動(dòng)平臺(tái)使激光對(duì)準(zhǔn)待刻槽位置起點(diǎn)。激光功率設(shè)置為1.5mW，掃描速度設(shè)置為100μm/s。打開(kāi)光學(xué)快門(mén)3使飛秒激光2經(jīng)過(guò)顯微物鏡6聚焦在光纖8上，同時(shí)通過(guò)程序控制三維電動(dòng)平移臺(tái)10帶動(dòng)光纖8沿垂直光纖8軸向方向移動(dòng)，在光纖8上刻蝕出長(zhǎng)度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統(tǒng)輔助下通過(guò)調(diào)節(jié)壓斷梁控制臺(tái)17使壓斷梁16上的凹槽從激光刻蝕位置的相對(duì)面對(duì)準(zhǔn)刻蝕的微槽15，凹槽與微槽15的方向平行，且微槽15對(duì)準(zhǔn)凹槽的中心位置。移動(dòng)壓斷梁16頂壓光纖8使其折斷，完成光纖8的切割。

參見(jiàn)圖7，從圖中能夠看出切割出的光纖端面光滑平整，沒(méi)有燒蝕碎屑污染。邊緣處刻蝕深度小于20μm，不會(huì)對(duì)光纖內(nèi)傳輸激光的模場(chǎng)產(chǎn)生影響。端面上的空孔結(jié)構(gòu)無(wú)損傷。

實(shí)施例4

原始材料：空心光子晶體光纖，傾斜15°切割；

超短脈沖激光：50fs，800nm，1000Hz；

(1)光纖8的固定參考實(shí)施例1的相應(yīng)過(guò)程，固定完成之后使用角度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)9旋轉(zhuǎn)光纖8，使得光纖8軸線方向與X軸夾角為15°。

(2)光纖8與激光2聚焦點(diǎn)的相對(duì)位置調(diào)整方法參考實(shí)施例1的相應(yīng)過(guò)程。

(3)利用三維電動(dòng)平移臺(tái)10將光纖8在Z軸位置設(shè)置為20μm，根據(jù)掃描移動(dòng)平臺(tái)使激光對(duì)準(zhǔn)待刻槽位置起點(diǎn)。激光功率設(shè)置為1.5mW，掃描速度設(shè)置為100μm/s。打開(kāi)光學(xué)快門(mén)3使飛秒激光2經(jīng)過(guò)顯微物鏡聚焦在光纖8上，同時(shí)通過(guò)程序控制三維電動(dòng)平移10帶動(dòng)光纖8沿設(shè)定方向移動(dòng)，在光纖8上刻蝕出長(zhǎng)度為60μm的微槽15。

(4)在成像系統(tǒng)輔助下通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓斷梁16的角度使壓斷梁16上的凹槽從激光刻蝕位置的相對(duì)面對(duì)準(zhǔn)刻蝕的微槽15，凹槽與微槽15的方向平行，且微槽15對(duì)準(zhǔn)凹槽的中心位置。移動(dòng)壓斷梁16頂壓光纖8使其折斷，完成光纖8的切割。

參見(jiàn)圖8(a)，圖8(b)，本發(fā)明光纖切割方法利用聚焦的飛秒激光在光纖表面沿設(shè)定角度切割出微槽，然后利用壓斷梁從微槽相對(duì)側(cè)頂壓光纖，使光纖沿著微槽方向裂開(kāi)，實(shí)現(xiàn)垂直或角度切割。該方法可實(shí)現(xiàn)各種材料光纖的微米量級(jí)定長(zhǎng)度及高精度特定角度切割。使用該方法切割得到的光纖端面平滑，無(wú)燒蝕產(chǎn)物，特別適用于具有微結(jié)構(gòu)的特殊光纖的切割。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。