一种基于显微成像和透射功率协同在线监测的飞秒激光光纤纤芯精准定位刻蚀方法

本发明涉及飞秒激光刻蚀光纤，具体涉及一种基于显微成像和透射功率协同在线监测的飞秒激光光纤纤芯精准定位刻蚀方法。

背景技术：

1、飞秒激光加工具备冷加工热损伤小、加工精度高、适配材料范围广与三维直写的优势，在光纤微结构精密刻蚀、无源光波导器件制备领域具备重要应用价值。通过飞秒激光加工得到的光纤微结构可实现从包层到纤芯的分层精细化加工，适用于干涉结构、腔内微滤波结构等各类特种光纤元件的制备。但传统飞秒激光光纤刻蚀工艺仅依靠显微图像目视定位，存在纤芯对准难度大、加工一致性差、无法实时判定刻蚀深度的缺陷，制约了高精度光纤器件的标准化量产进程。

2、为提升飞秒激光光纤刻蚀的定位精度与加工一致性，图像辅助纤芯定位方案得到广泛应用，其中显微视觉辅助定位凭借操作直观、搭建简便的特点，成为光纤飞秒刻蚀的主流定位手段。显微成像可直观呈现光纤侧向轮廓，快速完成激光光斑在光纤表层的预标定，能够缩短前期装调耗时，依托图像点位标记可完成大范围的粗定位作业。但深度精准刻蚀需要匹配纤芯的空间位置与刻蚀纵深，仅靠显微成像无法完成纤芯真实位置的精准校准。

3、光纤纤芯与包层存在折射率差异，会使激光透射功率随刻蚀深度产生阶跃变化，传统工艺仅依托显微图像目视判别纤芯位置，依靠人工观察形貌微调加工坐标实现纤芯对准。纯图像目视定位存在纵深分辨能力不足、人为误差大、工艺复现性差的问题，无法满足精密光纤微结构刻蚀对纤芯高精度定位、全流程在线监测的需求。除此之外，位移台照射灯的照射角度差异，同样会导致图像标定坐标与纤芯实际位置产生偏差。部分改进方案借助离线切片标定修正定位误差，但离线切片属于破坏性检测，无法实现加工过程的实时闭环修正，因此行业内亟需开发基于成像与功率协同监测的光纤纤芯在线精准定位刻蚀方法。

4、为此，提出一种基于成像与功率协同监测的光纤纤芯在线精准定位刻蚀方法。

技术实现思路

1、针对现有飞秒激光光纤刻蚀仅依靠单一显微图像定位、纤芯纵深位置无法精准判别、加工一致性差，且无法实现全流程在线闭环监测的技术问题，本发明提供一种基于显微成像和透射功率协同在线监测的飞秒激光光纤纤芯精准定位刻蚀方法，依托高清显微成像完成激光光斑表层粗标定，结合刻蚀过程透射光功率实时采集与阈值判定实现纤芯位置闭环精校准，实现纤芯全流程在线精准定位与刻蚀过程动态监测。

2、具体技术方案如下：

3、一种基于显微成像和透射功率协同在线监测的飞秒激光光纤纤芯精准定位刻蚀方法，包括将光纤样品装夹于位移台、通过飞秒激光对光纤进行刻蚀加工的步骤，采用高清显微成像单元与激光透射功率采集单元协同在线监测，完成飞秒激光对光纤纤芯的精准刻蚀；具体包括以下步骤：

4、（1）将光纤样品固定于位移台，通过高清显微成像单元实时采集光纤侧向形貌图像，调节物镜高度使视场聚焦于光纤表面的最上端位置，完成飞秒激光加工位置的粗调整；

5、（2）开启飞秒加工激光源，控制位移台沿xy平面往复移动，使激光光斑在光纤侧向对应区域往复扫描，观察显微图像中光纤表面是否出现加工划痕；若未出现划痕，则沿z轴方向调节位移台，每调节一个步长后重复划痕测试操作，直至光纤表面出现清晰划痕，完成飞秒激光加工位置的精细校准；

6、（3）开启监测激光源，将监测激光耦合接入待加工光纤的一端，光纤的另一端接入光功率计，记录监测激光的初始透射功率；设置预设加工深度，启动飞秒激光加工系统进行逐层刻蚀，实时采集并记录光功率计的透射功率数值；当监测到透射功率出现快速下降时，判定刻蚀已到达纤芯位置，继续刻蚀直至透射功率降至预设阈值，停止加工程序。

7、上述方案通过分步递进的定位与刻蚀流程，先依靠形貌观测快速完成加工区域的初步对准，再通过划痕测试精准标定光纤表面的基准位置，最后依托透射功率的动态变化识别纤芯分界位置，整套流程形成完整的闭环定位逻辑，能够有效弥补单一成像方式无法精准判别纵深界面的不足，减少人为目视判断带来的操作误差。加工过程中同步采集两类监测数据，可实时掌握刻蚀推进状态，无需中断加工进行离线检测，既提升加工效率，也减少试样报废损耗，同时便于接入自动控制系统实现标准化作业，适配批量加工场景，能够稳定提升刻蚀加工的一致性与可控性，降低对操作人员经验的依赖。

8、作为本发明的一种优选方案，步骤（2）中所述飞秒加工激光源的光源脉冲重复频率为100hz～10ghz，输出加工功率为20mw～200mw，，脉宽为1000fs-1fs。对加工光源的各项参数划定合适的区间，使加工激光的能量密度处于适配光纤材料刻蚀的合理范围，既能够保证对光纤材料的有效刻蚀作用，也可避免能量过高引发的材料热损伤与形貌劣化。该参数区间适配市面主流的飞秒加工设备，无需定制特殊光源，便于方案落地应用，也可根据不同光纤材质、不同刻蚀需求在区间内灵活调整参数，拓宽工艺的适用场景。

9、作为本发明的一种优选方案，步骤（2）中所述位移台沿z轴方向调节的单步步长为10nm～500μm。对位移台单次调节的步长划定合理范围，能够在校准精度与调节效率之间取得平衡，步长适中既不会因单次调节量过大导致校准精度不足，也不会因调节量过小增加不必要的校准步骤，能够更平稳精准地找到激光焦点与光纤表面的重合位置，为后续深度刻蚀提供准确的零点基准，保障深度计算的准确性。

10、作为本发明的一种优选方案，步骤（3）中所述监测激光源的输出波长处于光纤的低损耗传输窗口，输出功率低于光纤的损伤阈值、光功率计探头的损伤阈值以及光功率计的测量上限。将输出波长限定在光纤的低损耗传输窗口（如通信常用的o、c、l波段），可保证监测激光在光纤内传输时本征吸收和散射损耗极低。这使得光功率计采集到的基线信号具有高信噪比，透射功率的微小阶跃变化能够被清晰捕捉，从而避免因传输损耗过大导致信号漂移，显著提升对纤芯/包层分界面识别的响应灵敏度；将输出功率限制在光纤的损伤阈值以下，确保监测激光仅作为“无损探针”发挥作用，不会在光纤内部引发热积累、非线性吸收或材料改性。这避免了监测光在刻蚀前或刻蚀过程中对光纤预制体或微结构造成额外损伤，保证了飞秒激光刻蚀结果的纯净性，使最终刻蚀形貌与深度完全由加工激光主导；限定输出功率低于光功率计探头的损伤阈值，可防止高功率光信号烧毁探头感光面，保障设备长期运行的可靠性与寿命；同时，确保功率处于光功率计的最佳线性量程（测量上限以内），避免因超量程导致信号饱和或非线性失真，使实时采集的功率数据真实反映导光结构的物理变化，为后续的阈值判定（如0.01db/μm）提供准确的数据支撑；通过将监测激光的波长与功率明确解耦并分别约束，消除了原始表述中“波长与阈值”混为一谈的逻辑漏洞。该技术方案确保了监测环节本身不引入新的变量（如热效应或非线性效应），使得显微成像与透射功率的协同反馈唯一地对应于飞秒激光的刻蚀进程，显著提升了在线监测系统的鲁棒性与工艺过程的可重复性。

11、作为本发明的一种优选方案，步骤（3）中所述预设加工深度设置为光纤包层标称厚度的0.1倍～100倍，优选1.5倍～3倍。将预设加工深度设置为包层厚度的相应倍数，能够预留充足的刻蚀余量，确保刻蚀过程能够完整贯穿包层区域并顺利到达纤芯界面，避免因预设深度不足导致刻蚀尚未抵达纤芯就提前终止，保障纤芯位置识别环节能够完整触发，确保加工过程能够顺利到达目标分界位置。

12、作为本发明的一种优选方案，步骤（3）中所述透射功率快速下降的判定阈值为：单位刻蚀深度内的功率下降量大于0.01db/μm。以单位深度内的功率下降量作为纤芯界面的判定标准，通过量化的阈值区分正常功率波动与界面处的功率突变，能够有效排除刻蚀过程中微小功率波动的干扰，准确识别包层与纤芯的分界节点，使纤芯位置的判定更客观准确，避免人工主观判断带来的偏差，为后续刻蚀深度控制提供清晰的分界参照。

13、作为本发明的一种优选方案，步骤（3）中所述预设阈值为透射功率相对于初始功率的衰减量为1db～9db。以功率衰减量作为刻蚀停止的触发条件，能够精准控制刻蚀进入纤芯的深度，使刻蚀终止位置保持稳定一致，避免人工目视停机带来的操作误差，同批次加工的试样刻蚀深度偏差小，器件性能一致性高，大幅提升工艺的复现性，也便于实现自动化的加工启停控制。

14、作为本发明的一种优选方案，步骤（1）中所述高清显微成像单元采用高清显微相机，粗调整过程中同步调节位移台的xy位置，使光纤待加工区域处于显微视场的中心位置。采用该类成像器件能够获取清晰稳定的光纤侧向形貌画面，粗调阶段将待加工区域调整至视场中心，可最大程度降低成像畸变对位置判断的影响，使形貌观测更准确，同时也便于全程观察划痕与刻蚀的形貌变化，为粗定位与过程监测提供清晰的视觉依据，提升定位操作的便捷性与准确性。

15、作为本发明的一种优选方案，步骤（2）中当光纤表面出现划痕后，还包括调节位移台的xy位置，使加工划痕处于光纤显微图像的横向居中位置的步骤。在出现划痕后将其调整至图像横向居中位置，能够保证激光光斑对准光纤的径向中心平面，使刻蚀路径沿光纤径向均匀向内推进，避免刻蚀位置偏斜导致的深度计算误差与形貌不对称问题，保障刻蚀结构的对称性与深度控制的准确性。

16、作为本发明的一种优选方案，步骤（3）的刻蚀过程中，同步通过高清显微成像单元实时观测光纤侧向的刻蚀形貌变化，结合透射功率数据共同判断刻蚀进程。刻蚀过程中同时采集形貌图像与透射功率数据，从外观形貌与内部传输特性两个维度共同研判刻蚀进程，两类信号可互相印证加工状态，能够有效避免单一监测信号异常引发的误判与误操作，进一步提升加工过程的可靠性与状态判断的准确性，使加工全程更可控。

17、本发明还提供一种实现上述刻蚀方法的飞秒激光光纤加工系统，包括飞秒激光加工平台、用于装夹光纤的位移台与装夹机构，其特征在于，还包括高清显微成像单元、监测激光源和光功率计；

18、所述位移台用于装夹固定待加工光纤，带动光纤实现xyz三轴位移调节；

19、所述飞秒激光加工平台用于输出飞秒加工激光，对光纤进行刻蚀加工；

20、所述高清显微成像单元朝向光纤的侧向布置，用于实时采集光纤的侧向形貌图像；

21、所述监测激光源用于输出监测激光，耦合接入待加工光纤的入射端；

22、所述光功率计接入待加工光纤的出射端，用于实时采集透射过光纤的监测激光功率；

23、所述高清显微成像单元与光功率计共同构成协同监测单元，用于联合反馈飞秒激光的刻蚀位置与刻蚀深度。

24、该整套系统通过各功能部件的合理配置，位移台实现光纤的装夹与多维度位置调节，加工平台提供刻蚀所需的激光光源，成像单元提供侧向形貌的可视化监测，功率采集单元提供纵深方向的界面识别能力，两类监测单元相互配合形成完整的在线监测体系，能够稳定支撑前述精准刻蚀方法的实施。系统结构清晰，各部件均为成熟商用器件，可直接外挂集成于现有加工平台，无需改动原有主体光路，改造成本低，适配性强，便于现有产线的升级改造。

25、本发明具有以下有益效果：

26、1.依托显微成像完成光纤表层的粗定位，结合透射功率的突变特征进行深度校准，可精准区分包层与纤芯的分界位置，弥补了单一图像方式无法判别刻蚀纵深的不足，能够以微米级精度锁定纤芯加工位点，定位精度优于传统人工目视定位方式，可满足光纤微结构精密刻蚀的加工要求。

27、2.摒弃全人工肉眼校准的模式，采用图像与功率双参量协同的闭环监测方式，可有效规避人为操作偏差、视差带来的定位误差，同规格光纤批量刻蚀时纤芯对位结果一致性高，成品性能偏差小，能够显著提升工艺的复现性。

28、3.显微成像与功率采集系统可外挂集成于现有商用飞秒激光刻蚀平台，无需改动原有激光光路的主体结构，配套设备均为成熟商用器件，搭建成本可控，便于现有加工产线的升级改造，可适配多种型号的飞秒加工设备。

29、4.刻蚀全过程同步采集形貌图像与透射功率数据，可实时追踪刻蚀深度的变化状态，无需中断加工进行离线切片破坏性抽检，加工状态可视可控，能够有效减少试样报废损耗，同时降低加工操作对人员经验的依赖。

30、5.双参量协同的量化判定逻辑可接入数控控制系统，实现纤芯定位、激光刻蚀的全流程自动化运行，摆脱经验化手工调试的局限，能够推动特种光纤微结构刻蚀工序的标准化与规模化工程应用，提升量产加工的效率与品质稳定性。