一种单晶光纤高效抛光装置及方法

1.本发明属于高精度单晶光纤抛光设备领域，具体涉及一种单晶光纤高效抛光装置及方法。


背景技术：

2.单晶光纤是一种新型的高性能光纤材料，具有稀土离子掺杂浓度高、传光性好、耐高温、高热导率，耐腐蚀，低布里渊散射系数等优点。单晶光纤又称晶体光纤等,是具有光纤形态的单晶体。由于组成成分与体块单晶相同,单晶光纤的物理、化学性能与同成分的晶体材料一致,具有热导率高、透过波段宽、非线性效应弱等优势。同时,单晶光纤具有高长径比、高比表面积的光纤形态,因此也具有光纤散热效率高的特点,并能够利用全反射实现波导形式的光传输。由于实现了体块晶体和光学光纤的优势互晶体光纤在激光及传感方面具有巨大的应用潜力，使用晶体光纤作为增益介质是突破光纤激光器功率瓶颈、解决大功率激光器散热难的一种有效方法。
3.单晶光纤作为一种激光传输材料，多应用激光发射器如yag激光器等，表面质量好坏对它光、热传播效率有很大的影响。在实际加工过程中，最为常用的光纤表面抛光方法是接触式抛光方法，即通过固定夹持光纤，在柔性抛光工具的作用下，游离磨粒与光纤材料表面直接接触，利用磨粒的机械作用和化学作用，实现工件材料的去除，获得高表面质量的加工方法。但这种方法存在较大的局限性，主要包括：单晶光纤细长，为悬臂梁结构，在加工载荷的作用下会弯曲变形，容易导致光纤断裂。
4.抛光轮固结磨料加工方法是将磨粒或微粉与结合剂均匀混合在一起，采用烧结、粘接等方法，形成抛光轮固结磨具，控制抛光轮旋转进行磨削，从而去除光纤纤维的包层。此类方法允许抛光任意长度的光纤，去除速率较大，抛光时间减小。缺点为磨具易出现磨损，影响加工工件的面形精度。
5.电弧放电研磨是指利用电弧放电所产生的高温将玻璃光纤的表面层进行熔化，从而有效消除研磨光纤表面的粗糙度，抑制微裂纹或凹坑造成的较大损耗。但该方法需要一套高精度的定位传感器控制光纤研磨的厚度与长度系统，精度需控制在微米量级，价格昂贵，并且要对光纤与电极的相对位置、电弧放电的温度精确控制，装置复杂。
6.光纤化学腐蚀主要是通过调节光纤和腐蚀性溶液的作用时间、加热溶液的温度、腐蚀液的流速以及将光纤浸入溶液的深度等进行表面粗糙度的控制。该方法成本低，不需要专业技术很深的人员操作，可一次性腐蚀多根光纤，但腐蚀后表面质量差，杂质较多、化学工艺参数控制难度大。
7.以上所述加工方法都有一定不足，因此，研究一种新的适合细长单晶光纤的高质量、高效、低成本的抛光方法尤为必要。
8.本发明提出一种单晶光纤高效抛光装置及方法，本发明中的抛光带具有柔性特征，装有弹性加压结构，都不易对工件造成表面损坏。抛光液中磨粒附着面广，磨粒对工件表面微凸峰进行去除，抛光效率较高。且加工工件既可自转又可轴向移动，避免轨迹重复、
抛光均匀，抛光压力可控，抛光效果良好。


技术实现要素：

9.为了完善单晶光纤的抛光工艺，本发明提供一种加工效率较高、加工一致性良好、不易造成加工表面折断、破裂的一种单晶光纤高效抛光装置及方法。
10.一种单晶光纤高效抛光装置，包括：
11.抛光盘机构，所述抛光带机构包括机架和抛光盘，所述抛光盘前后滑动安装于机架上，其上成排设置若干用以定位和放置单晶光纤的定位槽；
12.抛光带机构，所述抛光带机构包括抛光带和传动组件，所述传动组件用以带动抛光带循环转动，所述抛光带为环状柔性结构，其用以与单晶光纤接触，并带动单晶光纤自转；以及
13.轴向振动机构，所述振动机构用以驱使抛光盘带动单晶光纤前后往复移动。
14.进一步地，所述抛光盘上设置若干进液通道，所述进液通道用以实现抛光液的进液，使抛光液能够达到单晶光纤。
15.进一步地，所述进液通道的入口设置于抛光盘的侧部，出口设置于抛光盘的顶部。
16.进一步地，所述机架上设置导轨，所述抛光盘的底部与所述导轨滑动连接。
17.进一步地，所述传动组件包括安装板、电机、主动轮和张紧轮模块，所述电机设置于安装板上，其与主动轮传动配合，所述张紧轮模块包括张紧轮、连杆和第一弹性件，所述连杆一端与安装板转动连接，另一端与张紧轮连接，所述第一弹性件两端分别与连杆和安装部连接，所述抛光带绕设于主动轮和张紧轮上。
18.进一步地，所述张紧轮模块至少有两组，分别位于抛光盘的左右两侧。
19.进一步地，还包括加载机构，所述加载机构用以将抛光带往单晶光纤上挤压。
20.进一步地，所述加载机构包括上压板、下压板和第二弹性件，所述上压板的高度可调，所述下压板通过第二弹性件连接于上压板下端，第二弹性件用以将下压板压向抛光带。
21.进一步地，所述轴向振动机构为轴向超声振动机构；所述抛光盘与机架之间配合设置第三弹性件，所述第三弹性件配置为在抛光盘往复振动过程中缓解轴向超声振动机构对抛光盘的冲击，帮助抛光盘复位。
22.本发明还提供一种单晶光纤高效抛光方法，采用如上所述的单晶光纤高效抛光装置实现，其包括如下步骤：
23.步骤1：将单晶光纤放置在抛光盘的定位槽中，使单晶光纤与抛光带接触；
24.步骤2：开启抛光带机构，抛光带带动单晶光纤转动；
25.步骤3：开启轴向振动机构，轴向振动机构带动抛光盘连同其上的单晶光纤前后往复移动；
26.步骤4：将配置好的抛光液均匀喷入抛光盘上，通过抛光带的旋转，抛光液吸附于单晶光纤表面、定位槽内，实现磨粒对单晶光纤微凸峰的微磨削。
27.本发明的有益效果是：
28.1)本发明的装置和方法可以使单晶光纤在抛光时既可以自转又可以轴向移动，避免抛光轨迹重复且轨迹包络面广，可最终实现单晶光纤高精度、高一致性的抛光加工；
29.2)本发明的装置结构简单，抛光成本较低；
30.3)抛光带为柔性材料，且为弹性加压，抛光时不会使单晶光纤表面出现破裂、折断等表面损伤。
附图说明
31.图1为本发明的一种单晶光纤高效抛光装置结构示意图；
32.图2为本发明的一种单晶光纤高效抛光装置中抛光盘的结构示意图；
33.图3为本发明的一种单晶光纤高效抛光装置左视结构示意图；
34.图4为本发明中单晶光纤抛光过程微观示意图；
35.图5为本发明的一种单晶光纤高效抛光方法流程图。
36.图中：安装板1、主动轮2、抛光带3、连杆4、张紧轮5、轴向超声振动机构6、导轨7、密封装置8、机架9、单晶光纤10、入口11、抛光盘12、下压板13、定位槽14、第三弹性件15、超声波变幅杆16、超声波换能器17、超声发生器18、微凸峰19、磨粒20、抛光液21、出口22、第一弹性件23、上压板24、第二弹性件25。
具体实施方式
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.下面结合附图对本发明作进一步说明。
39.请参阅图1-4，一种单晶光纤高效抛光装置，包括抛光盘机构、抛光带机构和轴向振动机构，抛光带机构包括机架9和抛光盘12，机架9上端设置导轨7，抛光盘12为长方体硬质合金盘，底部通过滑轮前后滑动安装于机架9的导轨7上，其上成排设置若干用以定位和放置单晶光纤10的定位槽14，定位槽14优选为v形槽，抛光带机构包括抛光带3和传动组件，传动组件用以带动抛光带3循环转动，抛光带3为环状柔性结构，其用以与单晶光纤10接触，并带动单晶光纤10自转，振动机构用以驱使抛光盘12带动单晶光纤10前后往复移动。
40.其中，抛光带3表面具有张力，为聚氨酯、橡胶等柔性材料，且表面具有一定摩擦力，在抛光过程中，能够吸附大量磨粒，使抛光液中的粒子更多的附着于单晶光纤10表面，提高抛光效率。利用抛光带3与单晶光纤10表面存在的摩擦力，抛光带3可带动单晶光纤10进行自转，实现抛光作用。
41.其中，机架9的高度可以调整，具体可通过升降机、螺母丝杠副等设备进行高度调整。单晶光纤10放置在定位槽14后，可通过调整机架9的高度使抛光带3与单晶光纤10接触。
42.继续参阅图2，抛光盘12上设置若干进液通道，进液通道与定位槽14交错设置，进液通道用以实现抛光液的进液，使抛光液能够达到单晶光纤10。具体地，进液通道的入口11设置于抛光盘12的侧部，出口22设置于抛光盘12的顶部。
43.其中，进液通道内可设置入料管，作为抛光液的导向结构。
44.继续参阅图1，传动组件包括安装板1、电机、主动轮2和张紧轮模块，电机设置于安装板1上，其与主动轮2传动配合，张紧轮模块包括张紧轮5、连杆4和第一弹性件23，连杆4一端与安装板1转动连接，另一端与张紧轮5连接，第一弹性件23两端分别与连杆4和安装板1
连接，抛光带3绕设于主动轮2和张紧轮5上。
45.具体地，张紧轮模块有两组，分别位于抛光盘12的左右两侧。并且，传动组件还包括一从动轮，该从动轮与主动轮2对称布置于安装板1上。第一弹性件23优选为弹簧，此外也可以为扭簧、拉簧、弹片等结构。
46.张紧轮模块可以调节张紧轮5与抛光带3、抛光盘12之间的相对位置，调节抛光带3的张紧力，进而调节抛光带3对单晶光纤10的压力。具体是：当拉紧或压缩第一弹性件23时，连杆4往复摆动，连杆4一端与张紧轮5连接，张紧轮5可绕连杆4摆动，从而改变张紧轮5、抛光带3之间的相对位置，调节张紧轮5对抛光带3的张力。
47.抛光带机构工作时，主动轮2由电机控制旋转，从而带动从动轮、张紧轮5与抛光带3共同旋转，与单晶光纤10之间存在相对速度。利用抛光带3与单晶光纤10之间的摩擦力，带动单晶光纤10进行自转。
48.继续参阅图1，本发明还包括加载机构，加载机构用以将抛光带3往单晶光纤10上挤压。具体地，加载机构包括上压板24、下压板13和第二弹性件25，上压板24安装于安装板1或机架9上，上压板24的高度可调，具体可采用螺杆带动升降等方式进行调高，下压板13通过第二弹性件25连接于上压板24下端，第二弹性件25用以将下压板13压向抛光带3。第二弹性件25优选为弹簧，此外也可以为扭簧、拉簧、弹片等结构。
49.可以理解，上述加载机构对抛光带3的加载压力通过调整上压板24的升降，进而改变第二弹性件25的伸缩来给定。
50.继续参阅图3，抛光盘12与机架9之间配合设置第三弹性件15，第三弹性件15配置为在抛光盘12往复振动过程中缓解轴向超声振动机构对抛光盘12的冲击，帮助抛光盘12复位。同时可以避免抛光轨迹重复，达到抛光均匀的效果。具体地，第三弹性件15优选为弹簧，此外也可以为扭簧、拉簧、弹片等结构。
51.进一步参阅图3，轴向振动机构与抛光盘12固定连接，其优选为轴向超声振动机构6，其结构为公知技术，包括超声发生器18、超声波换能器17、超声波变幅杆16等结构，超声发生器18发射能量，由超声波换能器17转化为机械能，从而使超声波变幅杆16、第三弹性件15往复振动，第三弹性件15与抛光盘12固定相连，因此抛光盘12轴向往复移动，从而单晶光纤10在自转的同时又可轴向往复移动，同时在压力的作用下，磨粒20对工件表面微凸峰19进行刮擦，最终达到去除效果。
52.工作时，抛光液21从入料管喷至抛光带3上，由于抛光带3旋转，可以带动磨粒20分布在单晶光纤10表面。启动轴向超声振动机构，抛光盘12可轴向往复移动，从而单晶光纤10既可自转又可轴向往复运动，做复杂空间运动，附着磨粒20对单晶光纤10表面微凸峰19进行去除，实现单晶光纤10外圆柱面高效、高质量抛光。
53.请参阅图5，本发明还提供一种单晶光纤高效抛光方法，采用如上所述的单晶光纤高效抛光装置实现，其包括如下步骤：
54.步骤1：将单晶光纤10放置在抛光盘12的定位槽14中，调节机架9的高度使单晶光纤10与抛光带3接触；
55.步骤2：开启抛光带机构，抛光带3带动单晶光纤10转动；
56.步骤3：开启轴向振动机构，轴向振动机构带动抛光盘12连同其上的单晶光纤10前后往复移动；
57.步骤4：将配置好的抛光液21从入料口11以一定速率均匀喷入抛光盘12上，通过抛光带3的旋转，将磨粒20分散到单晶光纤10表面，抛光液21吸附于单晶光纤10表面、定位槽14内，实现磨粒20对材料微凸峰的微磨削，最终实现表面高效、高质量抛光，废料可从密封装置8底部排除、收集。
58.其中，抛光液21中的磨粒20为0.05或者0.5μm的氧化铝或10wt％～15wt％的硅溶胶溶液或金刚石溶液。
59.需要说明的是，在加工过程中，通过调节上压板24的高度，改变第二弹性件25的伸缩，从而使下压板13借助抛光带3对单晶光纤10施加一定的压力。
60.实施例
61.确定游离抛光液制备的基本流程：首先将平均粒径0.5μm的al2o3磨料混入基液中，搅拌均匀，再经超声波分散5min，再往抛光液中添加铵盐分散剂，比例为10wt％，防止氧化铝底部沉积。再超声波分散5min制成抛光液。将配置好的抛光液放置在磁力搅拌器中，防止磨粒沉淀。
62.所加工单晶光纤的直径d＝2mm，母线长度为42mm，导轮速度w＝10r/min，轴向超声振动机构功率为100w，振幅设置为1mm，加载压力5n～10n。聚氨酯抛光带长度450mm，宽44mm，厚度2mm。抛光液流速设置为40ml/min。
63.表1显示了实施例中单晶光纤的加工结果。结果显示，加工60min后，抛光后所得到的表面粗糙度ra由0.094μm下降至0.006μm，圆度由0.76μm下降至0.21μm。
64.表1抛光前后结果
[0065][0066]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。