一种光斑取样光纤的加工方法与流程

1.本发明属于激光测量、光纤传光和光纤加工领域，特别涉及一种光斑取样光纤的加工方法。


背景技术：

2.光斑取样是激光测量的重要步骤，用以解决激光功率过高，探测系统无法整斑接收的问题。传光型短光纤作为取样单元可以使得有角度入射的光束被限制于纤内进行无损或极低损的传输。但目前这一应用仍存在着一些问题：一、易产生光纤传光热点：由于纤芯与包层分界面发生镜面全反射，当满足传输光束基本为平行光、短纤长下反射次数较少的情况时，纤内传光模式难以混合均匀，则输出端面及近距离接收面易发生光线的聚焦，产生光能和热能的聚点，即所谓的光纤传光热点，如图2所示，热点处具有较高的功率密度，可达入射光斑平均功率密度的十几倍。当入射光束具有高功率时，出射热点极易导致接收系统的热损伤；二、易发生泄光：当包层端面入光，或者由于入射光发散等原因导致部分入射光不满足全反射条件而从纤芯中折射入包层时，如若包层外壁接触物体的折射率高于包层且接触表面非高反射镜面，则部分光将从包层中折射进入外壁接触物体，造成光能从光纤中泄出，而由于包层折射率必须低于纤芯，一般采用低折射率掺杂石英制成，而典型封装胶、防震加持器件、灰尘等容易与包层外壁接触的物体大多具有高于包层的折射率且接触表面非高反射镜面，因此如果不采取措施，这一现象将造成较大且难以测控的传光损耗和后续的测量误差。


技术实现要素：

3.为了解决背景技术中的不足，本发明提供了一种光斑取样光纤的加工方法，具体方案如下：
4.一种光斑取样光纤的加工方法，包括以下步骤；
5.s1、选取传光型短光纤；
6.s2、对光纤镀高反射率膜层；
7.s3、对光纤进行磨砂处理，加工为光学毛面。
8.具体地说，步骤s1还包括倒角处理；所述倒角加工位置为光纤输入端外圈，倒角尺寸小于光纤包层厚度，倒角不影响纤芯入光仅作用于包层。
9.具体地说，步骤s1中传光型短光纤的外径范围为1～3mm，数值孔径n.a.范围为0.5～0.9。
10.具体地说，步骤s2具体为：
11.sa21、对光纤所有外表面进行镀膜；
12.sa22、对输出端面进行抛光加工。
13.具体地说，步骤s2具体为：
14.sb21、对光纤输入端面内圆部分及输出端面进行掩膜遮盖；
15.sb22、对光纤的未掩膜外表面及掩膜层进行镀膜；
16.sb23、除去掩膜层。
17.具体地说，最终镀膜范围为光纤侧壁及输入端外环，所述输入端外环包括包层截面及磨砂区域之外的纤芯截面。
18.具体地说，所述膜层为堆叠状。
19.具体地说，步骤s3中磨砂标准为100目～140目。
20.具体地说，磨砂区域为光纤输入端同心圆，其直径相比芯径最少小十丝。
21.具体地说，磨砂直径相比芯径小十丝。
22.本发明的有益效果在于：
23.(1)本发明通过对传光型短光纤的镀膜、磨砂及倒角处理，制成一种可安装于激光光斑获取和测量系统迎光前面板的取样光纤单元。传光型光纤通过纤芯与包层界面的全反射来使数值孔径角度范围内入射的光可以无损或极低损传输，作为取样单元的元器件具有增大激光束的入射角度允许范围的优势，是激光光斑获取和测量的有效新型途径。
24.(2)本发明对传光型短光纤的输入端进行倒角处理以防后续镀膜崩边，再对光纤侧壁和输入端外环进行高反射率材料镀膜，最后对输入端中心圆部分进行磨砂处理，形成新型的镀膜磨砂光纤单元。磨砂端面可对入射光束进行匀化，破坏热点形成条件，高反射率材料镀膜防止发散光线从光纤泄出导致采样不一致，本发明可在保证光纤单元采样低畸变的基础上，防止光纤输出光产生热点从而损伤ccd相机或光电探测器等测量设备。
25.(3)通过磨砂处理反射部分入射光达到进一步衰减光能的目的，增加系统可测光束功率。
26.(4)通过镀膜处理防止光纤泄光的发射，使得光纤侧壁不再需要隔绝高折射率物体，使用普通封装胶即可对光纤单元进行固定加持。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1为取样单元剖面示意图；
29.图2为未经过镀膜和磨砂处理光纤所输出的发生热点的光斑质心剖面图；
30.图3为已经过镀膜和磨砂处理光纤所输出的无热点的光斑质心剖面图；
31.图4为仅改变磨砂直径时的光纤透过率仿真结果。
32.图中各标识的说明如下：
33.1、磨砂部分；2、镀膜部分；3、倒角部分。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.一种光斑取样光纤的加工方法，包括以下步骤：
36.s1、选取传光型短光纤，对光纤进行倒角处理；在该方案中，传光型短光纤纤长范围为10～20mm，外径范围为1～3mm，长径比范围为10～20倍，数值孔径n.a.范围为0.5～0.9，相应的最大允许入射角度范围为
±
30
°
～
±
64
°
。
37.其中倒角处理的目的在于防止后续镀膜崩边。由于传光型短光纤的材料为石英，其尖锐边缘非常脆弱，在后续的镀膜等加工及安装中易产生崩边，从而导致光纤单元损坏；倒角加工位置为光纤输入端外圈，倒角尺寸小于光纤包层厚度，倒角不影响纤芯入光仅作用于包层；倒角范围为40
°
～50
°
斜面倒角，使用铣刀加工；
38.s2、对光纤镀高反射率膜层；
39.镀膜处理目的在于防止射至包层的光泄露出纤外；镀膜范围为光纤侧壁及输入端外环，所述输入端外环包括包层截面及磨砂区域之外的纤芯截面。镀膜采用原料为高反射率材料，一般根据光纤工作波长选用相应波长具有高反射率的金属，或者选用相应波段具有高反射率的多膜层设计；镀膜工艺采用玻璃镀膜工艺，使用化学气相沉积法，非镀膜区域采用掩膜遮盖。具体的说，测量波段为近紫外和可见光波段时，镀膜材料为铝膜；为红外波段时，镀膜材料为银膜，如果要求99％以上的反射率，则根据工作波长设计膜层堆叠。
40.具体来说，步骤s2包括两种方案：
41.第一种方案为：
42.sa21、对光纤所有外表面进行镀膜；
43.sa22、对输出端面进行抛光加工。
44.该方案可以同步打磨消除膜层。
45.第二种方案为：
46.sb21、对光纤输入端面内圆部分及输出端面进行掩膜遮盖；
47.sb22、对光纤的未掩膜外表面及掩膜层进行镀膜；
48.sb23、除去掩膜层。
49.该方案的顺序也是镀膜在磨砂之前，因为如果先进行磨砂，当掩膜存在公差时，还是会导致部分磨砂区域被镀膜，造成此区域膜层的不均匀覆盖。
50.s3、对光纤进行磨砂处理，加工为光学毛面。
51.磨砂处理目的在于对于入射光束进行匀化，将入射光的平行状态转换为散射状态，以破坏热点形成条件，防止光线在纤芯内多次反射后聚于近距离处的接收屏上，形成热点，引起接收系统的热损伤及激光损伤；磨砂范围为输入端同心圆内；磨砂工艺一般采用机械喷砂，打磨标准为100目～140目，在该方案中为120目。
52.总的来说，步骤s1
‑
s2作用在光纤上的位置如图1所示，分别作用于磨砂部分1、镀膜部分2、倒角部分3。基于本方案解决以下三个问题：一、匀化入射光束，将平行光束变换为散射光束，破坏热点形成条件，出射光斑如图3所示，避免光纤后端接收系统的热损伤；二、反射部分入射光，反射部分占比具有单元一致性，高一致性地减少进入测量系统的能量，进一步提高系统可测光束功率阈值。
53.步骤s2镀膜处理和步骤s3磨砂处理过程中，存在镀膜与磨砂的交界线，交界线为输入端面上一同心圆，其直径以下称为磨砂直径。磨砂直径控制单元入光量，为本发明中的
重要标准，其设置需要参考以下要求：一、磨砂直径需要小于光纤芯径，控制入光部分限于纤芯，控制尽可能多的光在纤芯内部传输；二、考虑加工误差等因素，磨砂直径相比芯径最少小十丝(0.1mm)；三、在满足条件一和二的前提下，使光纤传光具有高透过率，一般标准为：在入射角小于20
°
时，透过率需要达到90％以上；在入射角小于40
°
，透过率需要达到85％以上，且在入射角度改变时，维持较为稳定的状态。由于入射光在未输出的前提下，基本以各种形式被吸收并转换为热能，对总系统存在负面影响，因此应控制透过率为高水平。综上所述，为计算最佳磨砂直径，建立光学追迹模型，设置不同磨砂直径，仿真结果如图4所示，可看出磨砂直径越大，透过率越高，且对入射角度的敏感性越低，更利于光纤取样。因此磨砂直径最佳选用值为满足条件二的最大值，即小芯径十丝。
54.步骤s1
‑
s3顺序需要严格把控，倒角必须放在镀膜之前，否则膜层无法覆盖倒角区域(倒角区域必须镀膜因为不能入光)；磨砂必须放在镀膜之后，因为光纤端面中已经镀膜的区域可以再进行磨砂，磨砂可以磨掉膜层；但是已经磨砂的区域不能再镀膜，因为膜层会不均匀地覆盖在磨砂层之上，从而造成此处的光传输十分复杂，难以控制。
55.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。