CN101879659A - 旋转光纤进行微加工的方法和装置 - Google Patents

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胡文彬
李维来
姜德生
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Abstract

一种旋转光纤进行微加工的方法和装置，该装置的安装在基座上的可调速驱动电机通过变速变相器带动光纤夹具转动，光纤同时穿过光纤夹具和光纤***，光纤夹具带动所夹持的光纤转动，光纤的被加工区域位于光纤***中间，并通过加工窗口暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束。该装置可将旋转光纤的转动漂移控制在2个微米范围内，具有装配简单、易于操作、精度高、漂移低的特点，可用于高精度显微镜下的微加工。属于激光微加工领域。

Description

旋转光纤进行微加工的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种对旋转光纤进行微加工的方法和装置，主要应用于光纤的轴对称微加工，旋转光纤的表面微米级精细加工。采用本发明所述的装置，利用外界激光或离子束等技术可以在光纤上加工出对称孔洞，多种形状的贯穿孔，环形槽，以及螺旋形槽等多种结构。
背景技术
光纤传感器是随着被广泛应用的通信光纤诞生的一个极具潜力的研究领域。光纤具有本质绝缘，抗电磁干扰、工作频带宽，集传输媒介和传感头于一体等多重优点。光纤传感器包括传输型和传感型光纤。前者将光纤简单地作为传输媒介，后者将光纤本身作为传感器。传感型光纤包括目前被广泛应用的光纤光栅传感器、光纤液位计、光纤化学传感器等等多种传感器。为了研究更多类型的光纤传感头，需要对光纤上进行各种微加工，其中激光和离子束加工是主要技术之一。大多数基于光纤的微加工主要是静态加工，如在光纤表面或端面上刻写光栅，加工小孔。但光纤是一种呈轴对称的纤长圆柱体，静态单面加工显然不足以满足要求，对旋转中的光纤表面进行微加工显得极其必要。基于旋转光纤的微加工为光纤表面环状光栅、螺旋形孔槽、贯穿孔，以及端面等等轴对称加工提供了诸多可能。
可是，去除涂敷层后的标准通信光纤的直径仅有125微米，如果转动装置精度不够高，就会产生转动漂移，对于激光加工而言，数十个微米的漂移都将严重影响光纤的表面加工。可是，对旋转光纤的转动漂移进行约束的装置未见记载。
发明内容
本发明旨在提供一种高精度光纤旋转夹持装置，旋转光纤受精密***约束，确保光纤的转动漂移只有数个微米，为显微镜下的光纤旋转加工提供了可能。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于旋转光纤微加工的夹持装置，包括可调速驱动电机、基座、变速变相器、角度传感器、光纤夹具、光纤***、环切器；其中可调速驱动电机安装在基座上并连接变速变相器，光纤夹具穿过变速变相器并由其夹紧，光纤***安装在基座上，光纤穿过光纤夹具和光纤***，光纤的被加工区域位于光纤***中间，并通过加工窗口暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束，角度传感器位于变速变相器上，用于监测转动角度，环切器位于加工窗口处。
所述的光纤***由含有精密V型槽的可分离金属部件组成，V型槽大小为100-400μm，根据所夹持光纤直径所定。光纤***可由精密陶瓷芯代替。
所述的光纤从1根到多根，最大数目根据所用加工平台尺寸和驱动电机驱动力决定。
本发明的工作原理是：
外部电源驱动可调速电机，电机通过变速变相器带动所夹持的光纤夹具转动，光纤***约束光纤的转动漂移，使得穿过光纤夹具的光纤在光纤***的约束下以极低的漂移转动。光纤的被加工区域位于光纤***中间，并通过加工窗口暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束。
本发明的特征在于，其中角度传感器可将角度信息传给***，达到精确控制加工角度的目的。
其特征在于，光纤在光纤***内部的漂移小于2微米。
其特征在于，环切器可配合本发明的主体装置使用，对光纤涂敷层进行环切，环切后的光纤经下一步化学处理也可得到表面微结构。
本发明的实施步骤是
将光纤被加工区域的涂敷层剥去；将光纤通过光纤夹具的导入孔穿过光纤夹具；将光纤夹具穿过变速变相器的中心孔；将光纤***放置在光纤被加工区域两侧，光纤被加工区域通过加工窗口暴露在外部加工源下。
光纤***夹持住光纤被加工区域两侧，使光纤受其约束；
将光纤被加工区域通过加工窗口暴露在外部加工源下。
用所述的环切器对欲进行化学腐蚀或表面镀膜处理的光纤进行预处理。
本发明的特点和优点是：
装配简单、易于操作、精度高、漂移低，可用于多种激光技术或离子束技术的光纤微细加工。
附图说明
图1本发明装置示意图
图2本发明实施方式示意图：利用激光进行加工
图3结合角度传感器对加工角度进行精确控制后得到的一字型贯穿孔和十字型贯穿孔
图4对旋转光纤进行表面加工得到的环形槽结构
图5对沿轴向方向移动的旋转光纤进行表面加工得到的螺旋形结构
图6对光纤端面旋转加工得到的光纤端面透镜
图7对光纤端面旋转加工得到的光纤微悬臂梁结构
图8本发明之配件环切器实施方式示意图
图9在有涂敷层的光纤表面环切后的效果
图10光纤表面环切后进行化学腐蚀后的效果
图11光纤表面环切后进行镀膜的效果
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明实施例。
图1是本发明的装置示意图。本发明的一种用于旋转光纤微加工的夹持装置，包括可调速驱动电机1、基座2、变速变相器3、角度传感器5、光纤夹具6、光纤***7、环切器9；其中可调速驱动电机1安装在基座2上并连接变速变相器3，光纤夹具6穿过变速变相器3并由其夹紧，光纤***7安装在基座2上，光纤4穿过光纤夹具6和光纤***7，光纤4的被加工区域位于光纤***7中间，并通过加工窗口8暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束，角度传感器5位于变速变相器上，用于监测转动角度，环切器9位于加工窗口8处。
本发明的夹持装置的基座2的可调速驱动电机1通过变速变相器3带动光纤夹具6转动，光纤4同时穿过光纤夹具6和光纤***7，光纤夹具6带动光纤4转动。
本发明的实施步骤是：将光纤4被加工区域的涂敷层剥去；将光纤通过光纤夹具6的导入孔穿过光纤夹具；将光纤夹具穿过变速变相器3的中心孔；将光纤***7放置在光纤被加工区域两侧，光纤被加工区域通过加工窗口8暴露在外部加工源下。
图2是将本发明安装在激光加工台上进行光纤的旋转加工实例，光纤4已经安置在装置中，光纤***3中间的一段光纤已经被剥去涂敷层，激光光束10对正在旋转的光纤4进行光纤表面加工。
利用角度传感器5精确控制光纤旋转的角度时，可以加工出如图3的一字型贯穿孔12和十字型贯穿孔14的结构。加工部位的光纤横截面一字型贯穿孔13和十字型贯穿孔15同时显示于图3。图3中所示的光纤微结构可用于很多领域。如提高加工孔洞侧壁的光滑度，可作为内置式法布里-珀罗腔，并用于多参数的光纤传感器。再如对加工出的光纤孔洞灌敷敏感材料，敏感材料的厚度或荧光波长可因敏感参数的改变而改变，可制成内置式光纤化学传感器。
当工作台2固定不动时，光纤边旋转边加工出的为环形槽结构16，结构如图4。
当光纤旋转且工作台沿X轴方向移动时，加工出的结构如图5，为一螺旋形结构17。
图4和图5这两种微结构均可用于刻纹式长周期光纤光栅，结合可伸缩敏感膜，亦用于加强光纤的轴向变形。
当激光光束对准旋转光纤的端面进行精细加工时，可加工出如图6所示的光纤端面透镜18。
当激光光束对准旋转光纤的端面进行精细加工时，可加工出如图7所示的光纤微悬臂梁结构19。
环切器实施实例：环切器9的实施方式如图8。环切器的操作独立于激光加工，但其实施需要基于本发明所述装置。利用环切器9可对光纤涂敷层20进行环切出环状槽，如图9所示。对有环切槽的光纤再作化学腐蚀处理后，然后去除光纤表面涂敷层，可得到如图10的光纤表面环状沟槽阵列。对环切后的光纤进行沉积镀膜，然后去除光纤表面涂敷层，可得到如图11的光纤包层表面栅状膜。
尽管参照几个具体的实施例描述了本发明，但该描述并不意味着在局限的意义上理解。参照本发明的描述，对所提示的实施例进行各种修改以及本发明的其他实施例对本领域技术人员的显而易见的。但是这些修改并不脱离后附权利要求书中确定的本发明的精神或范围。

Claims (7)

1.一种用于旋转光纤微加工的夹持装置，其特征在于：该装置包括可调速驱动电机(1)、基座(2)、变速变相器(3)、角度传感器(5)、光纤夹具(6)、光纤***(7)、环切器(9)；其中可调速驱动电机(1)安装在基座(2)上并连接变速变相器(3)，光纤夹具(6)穿过变速变相器(3)并由其夹紧，光纤***(7)安装在基座(2)上，光纤(4)穿过光纤夹具(6)和光纤***(7)，光纤(4)的被加工区域位于光纤***(7)中间，并通过加工窗口(8)暴露给外部加工源，加工源为激光或聚集离子束，角度传感器(5)位于变速变相器上，用于监测转动角度，环切器(9)位于加工窗口(8)处。
2.如权利要求1所述的一种用于旋转光纤微加工的夹持装置，其特征在于：所述的光纤***(7)由含有精密V型槽的可分离金属部件组成，V型槽大小为100-400μm，根据所夹持光纤直径所定。
3.如权利要求2所述的一种用于旋转光纤微加工的夹持装置，其特征在于：所述的光纤***(7)可由精密陶瓷芯代替。
4.如权利要求1所述的一种用于旋转光纤微加工的夹持装置，其特征在于，所述的光纤从1根到多根，最大数目根据所用加工平台尺寸和驱动电机驱动力决定。
5.权利要求1所述的用于旋转光纤微加工的夹持装置的用法，其特征在于，按下述步骤进行：
将光纤被加工区域的涂敷层剥去；
将光纤通过光纤夹具的导入孔穿过光纤夹具；
将光纤夹具穿过变速变相器的中心孔；
光纤***夹持住光纤被加工区域两侧，使光纤受其约束；
将光纤被加工区域通过加工窗口暴露在外部加工源下。
6.如权利要求5所述的用于旋转光纤微加工的夹持装置的用法，其特征在于，用环切器(9)对具有涂敷层或镀膜层的光纤进行等距环切。
7.如权利要求5所述的用于旋转光纤微加工的夹持装置的用法，其特征在于，用环切器(9)对欲进行化学腐蚀或表面镀膜处理的光纤进行切割预处理。
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