一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统及其调试方法

1.本发明涉及用于光纤的装夹调试系统及调试方法，具体涉及一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统及其调试方法。


背景技术：

2.光纤是一种基于光的全反射机理进行光传导的介质纤维，包括石英玻璃及单晶光纤，其中石英光纤是目前应用最为广泛、制造技术最为成熟的一种，但是石英光纤在高温条件下应用于光传输存在不稳定性。
3.单晶光纤(scf)被认为是块状晶体和常规纤维的组合，是一种新型的一维功能晶体材料，其中，采用导模法技术生长的高质量倍半氧化物体块晶体(lu2o3,sc2o3,y2o3等及其混晶)，因其热导率高、声子能量低、掺杂浓度高、化学性能稳定、激光光谱学特性优良，是目前被公认的中红外激光器件最有效的增益材料，为单晶光纤生长提供了高质量的原料棒，将其采用微下拉和lhpg技术，可以研制高质量的倍半氧化物晶体光纤，与传统的玻璃光纤相比较，具有热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优点。因此，单晶光纤优越的性能使其在高功率激光应用中具有重大应用前景，其次在军事、信息通讯、材料加工、医疗等领域也具有重大应用价值。
4.单晶光纤由纤芯和包层组成，其中包层主要功能是通过降低单晶光纤外部的折射率，实现单晶光纤内部光束的全反射，提高光波导效率和控制光斑模式。单晶光纤可以在单晶光纤外部制备与纤芯具有折射率差值的二氧化硅包层，但由于二氧化硅包层与纤芯折射率以及热学性质相差较大，单晶光纤内部会出现严重的热效应，会极大程度上降低单晶光纤的传输效率与使用寿命，因此需要发展一种单晶光纤包层制备的新方法。
5.目前采用超快激光是较为理想的手段之一，其原理是在单晶光纤表面通过减材加工形成阵列亚波长微结构，从而与单晶未加工区域产生折射率差值，达到光束传输的目的。随着器件的小型化与集成化发展，目前需要制备超细直径的单晶光纤(直径在40μm-200μm)，而采用超快激光在单晶光纤表面加工首要面临的问题就是如何装夹单晶光纤，其次是在激光加工过程中需要对其进行旋转以在整个柱状单晶光纤表面制备包层结构，因此如何装夹该超细直径光纤且能精准保证其在加工过程中高度协同以不会使得光纤产生断裂，成为采用超快激光在单晶光纤表面加工包层需要解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是解决现有超细单晶光纤的激光加工过程无法精准保证单晶光纤高度协同，导致单晶光纤存在断裂风险的不足之处，提供一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统及其调试方法。
7.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
8.一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统，其特殊之处在于：
9.包括底板、设置在底板上的第一调试机构、第二调试机构和指示光源机构，以及设
置在底板外的检测机构；
10.定义待加工光纤设置有预设加工位置，预设加工位置中待加工光纤两端之间的中点为原点，竖直向上方向为z轴正向，待加工光纤沿x轴设置，y轴方向符合右手空间直角坐标系；
11.所述第一调试机构包括设置在底板上的第一粗调单元，以及设置在第一粗调单元上的第一精调单元；所述第一粗调单元用于将第一精调单元沿平行x轴方向、平行y轴方向移动，所述第一精调单元用于夹持待加工光纤，并调整待加工光纤相对预设加工位置的位置；
12.所述第二调试机构包括设置在底板上的第二粗调单元，以及设置在第二粗调单元上的第二精调单元；所述第二粗调单元用于将第二精调单元沿平行x轴方向、平行y轴方向、平行z轴方向移动，所述第二精调单元用于夹持待加工光纤，并调整待加工光纤相对预设加工位置的位置；
13.所述第一精调单元、第二精调单元均包括旋转轴平行于x轴的转台，以及设置在转台上的装夹部；
14.所述指示光源机构用于检测第一精调单元、第二精调单元的转台是否同心，指示光源机构包括位于第二精调单元转台中心轴上的发射组件，以及位于第一精调单元转台中心轴上的反射镜，所述发射组件包括光源，以及沿光源光路依次设置的物镜和十字狭缝；
15.所述检测机构包括设置在待加工光纤上方的两个相机和沿x轴对称设置在待加工光纤两侧的一组测距传感器。
16.进一步地，所述第一粗调单元包括设置在底板上的第一底座，以及设置在第一底座上的第一二维位移台，所述第一二维位移台用于将第一精调单元沿平行x轴方向、平行y轴方向移动；
17.所述第一精调单元包括设置在第一二维位移块上的第一三维旋转台，以及设置在第一三维旋转台上的第一调试组件，所述第一调试组件包括所述转台和装夹部，所述转台设置在第一三维旋转台上。
18.进一步地，所述第二粗调单元包括设置在底板上的三维位移台，三维位移台用于将第二精调单元沿平行x轴方向、平行y轴方向、平行z轴方向移动；
19.所述第二精调单元包括设置在三维位移台上的第二三维旋转台，以及设置在第二三维旋转台上的第二调试组件，所述第二调试组件包括所述转台和装夹部，所述转台设置在第二三维旋转台上。
20.进一步地，所述第一调试组件、第二调试组件结构相同，均包括所述转台、设置在所述转台上的第二二维位移台，所述装夹部设置在第二二维位移台上；所述第二二维位移台可沿平行y轴方向、平行z轴方向移动。
21.进一步地，所述装夹部包括设置在第二二维位移台上的l型支架和设置在l型支架上的v型槽；所述l型支架包括竖直部和水平部，两个l型支架的开口相对设置；所述v型槽设置在水平部的上表面，v型槽开口向上。
22.同时，本发明提供一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统的调试方法，基于上述超细单晶光纤激光加工装夹调试系统，其特殊之处在于，包括如下步骤：
23.步骤1、粗调：调整待加工光纤两端端部分别与第一精调单元、第二精调单元的转
台同心；
24.步骤1.1、使光源的出射光依次经过物镜、十字狭缝后，再由反射镜反射回十字狭缝形成十字狭缝反射像，调整第二粗调单元直至十字狭缝反射像与十字狭缝重合，则第一精调单元、第二精调单元的转台同心；
25.步骤1.2、将待加工光纤两端放置于第一精调单元、第二精调单元的装夹部上，且仅使待加工光纤其中一端端部与第一精调单元的装夹部固定，使第一精调单元的转台带动待加工光纤旋转；通过相机对待加工光纤该端端部在xy面的位置进行拍摄，同时调整第一粗调单元，直到相机所拍摄的待加工光纤该端端部在xy面所处的位置无偏移，则认为待加工光纤该端端部与第一精调单元转台同心；
26.步骤1.3、仅使待加工光纤另一端端部与第二精调单元的装夹部固定，采用步骤1.2的方法通过第二粗调单元调整待加工光纤该端端部与第二精调单元转台同心；
27.步骤2、精调：调整待加工光纤两端端部分别与第一精调单元、第二精调单元的转台同心；
28.步骤2.1、调整待加工光纤在xy面上与x轴平行；
29.步骤2.1.1、将待加工光纤两端分别与第一精调单元、第二精调单元的装夹部固定；使待加工光纤一端端部位于测距传感器视场内，通过测距传感器测量待加工光纤该端端部在y轴上的光纤中心位置y1；
30.步骤2.1.2、使待加工光纤另一端端部位于测距传感器视场内，通过测距传感器测量待加工光纤该端端部在y轴上的光纤中心位置y2；
31.步骤2.1.3、判断y1、y2是否相等，若相等，则执行步骤2.2；否则调整第一精调单元或第二精调单元的转台在y轴上的位置，使y1与y2相等；
32.步骤2.2、调整待加工光纤在xz面上与x轴平行；
33.步骤2.2.1、将底板绕x轴向y轴反向旋转90
°
,y轴、z轴随之旋转90
°
；通过第一精调单元、第二精调单元的转台带动待加工光纤同步旋转，使测距传感器沿平行x轴方向移动，通过测距传感器测量待加工光纤其中一端n个不同位置旋转一周的距离，得到该端在z轴上对应的n个光纤中心坐标，n为大于等于2的整数；
34.步骤2.2.2、判断该端n个光纤中心坐标是否相等，若相等，则执行步骤2.2.3；否则调整第一精调单元或第二精调单元，并返回步骤2.2.1；
35.步骤2.2.3、通过第一精调单元、第二精调单元的转台带动待加工光纤同步旋转，使测距传感器沿平行x轴方向移动，通过测距传感器测量待加工光纤另一端n个不同位置旋转一周的距离，得到该端在z轴上对应的n个光纤中心坐标；
36.步骤2.2.4、判断该端n个光纤中心坐标是否相等，若相等，则将底板绕x轴向y轴正向旋转90
°
回到原位，y轴、z轴随之旋转90
°
回到原位后，执行步骤3；否则调整第一精调单元或第二精调单元，并返回步骤2.2.3；
37.步骤3、检验待加工光纤装夹是否到达预设加工位置；
38.步骤3.1、通过测距传感器测量待加工光纤两端端部在y轴上的对应光纤中心位置y1＇、y2＇；
39.由于每个转台与光纤存在偏心距e1、转台同心度em、两个转台的对心误差en，因此，光纤与x轴存在夹角θ，则有：
[0040][0041]
其中，l为两个装夹部之间的光纤长度；
[0042]
步骤3.2、判断arctanθ是否小于预设值30
″
，若是，则判断待加工光纤已到达预设加工位置，调试结束，开始进行激光加工；否则返回步骤1。
[0043]
进一步地，还包括：
[0044]
步骤4、实时监测激光加工旋转过程中加工光纤各轴的偏心度及同轴度；
[0045]
通过相机观测光纤两端端部在xy面上的对应光纤中心位置a1、a2，并实时观测十字狭缝反射像与十字狭缝是否重合；
[0046]
若a1、a2发生偏离，十字狭缝反射像与十字狭缝重合，则可以继续加工；若十字狭缝反射像与十字狭缝不重合，则停止加工，返回步骤1。
[0047]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0048]
(1)本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统，包括第一调试机构、第二调试机构及检测机构，其中第一调试机构、第二调试机构分别设置在待加工超细单晶光纤两端，用于夹持待加工超细单晶光纤；传统光纤极少在光纤圆周表面加工结构，因此可以通过简单且长的v型槽直接固定，只露出两端的横截面，由于本发明用于超细单晶光纤的包层结构加工，不但需要圆周方向全部裸露，且需要旋转，因此本发明通过第一调试机构、第二调试机构结合检测机构对待加工超细单晶光纤进行调试，以保证超细单晶光纤在加工过程中能够高度协同，避免超细单晶光纤发生断裂。
[0049]
(2)本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统的检测机构包括设置在待加工光纤上方的两个相机和沿x轴对称设置在待加工光纤两侧的一组测距传感器，其中两个相机主要用于粗调，一组测距传感器用于精调，大幅提高了装调效率，并且本发明仅通过一组测距传感器即可实现精确调节，大大降低了设备的成本。
[0050]
(3)本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统的调试方法，通过视觉以及测距传感相结合的方式对待加工超细单晶光纤进行精准调试，以确保超细单晶光纤在加工过程中能够高度协同。
[0051]
(4)本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统及调试方法可大幅提高单晶光纤包层结构的制造位置精度，由于光纤包层加工过程中保持激光不动，通过夹具旋转光纤实现包层表面微结构的制造，本发明采用粗调与精调相结合、视觉与传感器相结合，可大幅提高夹具的旋转精度，从而确保了单晶光纤的高精度制造。
附图说明
[0052]
图1为本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统一个实施例的结构示意图(未显示检测机构)；
[0053]
图2为本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统图1实施例中指示光源机构的工作原理示意图；
[0054]
图3为本发明一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统的调试方法中步骤5.1的原理示意图。
[0055]
附图标记说明如下：
[0056]
1-底板；
[0057]
211-第一底座，212-第一二维位移台，221-第一三维旋转台；
[0058]
31-三维位移台，321-第二三维旋转台；
[0059]
41-转台，42-第二二维位移台，43-l型支架，44-v型槽；
[0060]
5-指示光源机构，51-发射组件，511-光源，512-物镜，513-十字狭缝，52-反射镜。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
[0062]
参照图1，一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统，包括底板1、设置在底板1上的第一调试机构、第二调试机构和指示光源机构5，以及设置在底板1外的检测机构。
[0063]
定义待加工光纤设置有预设加工位置，预设加工位置中待加工光纤两端之间的中点为原点，竖直向上方向为z轴正向，待加工光纤沿x轴设置，y轴方向符合右手空间直角坐标系。
[0064]
所述第一调试机构包括设置在底板1上的第一粗调单元，以及设置在第一粗调单元上的第一精调单元；所述第一粗调单元用于将第一精调单元沿平行x轴方向、平行y轴方向移动，第一粗调单元包括设置在底板1上的第一底座211，以及设置在第一底座211上的第一二维位移台212，所述第一二维位移台212用于将第一精调单元沿x轴、y轴移动，第一底座211与第一二维位移台212结合用于满足不同长度的单晶光纤的装夹需求；所述第一精调单元用于夹持待加工光纤，并调整待加工光纤相对预设加工位置的位置，第一精调单元包括设置在第一二维位移块上的第一三维旋转台221，以及设置在第一三维旋转台221上的第一调试组件。
[0065]
所述第二调试机构包括设置在底板1上的第二粗调单元，以及设置在第二粗调单元上的第二精调单元；所述第二粗调单元用于将第二精调单元沿平行x轴方向、平行y轴方向、平行z轴方向移动；所述第二精调单元用于夹持待加工光纤，并调整相对预设加工位置的位置，第二精调单元包括设置在三维位移台31上的第二三维旋转台321，以及设置在第二三维旋转台321上的第二调试组件。
[0066]
所述第一调试组件、第二调试组件结构相同，均包括所述转台41、设置在所述转台41上的第二二维位移台42，以及设置在第二二维位移台42上的所述装夹部，所述转台41设置在第一三维旋转台221或第二三维旋转台321上；所述第二二维位移可沿平行y轴方向、平行z轴方向移动。
[0067]
所述装夹部包括设置在第二二维位移台42上的l型支架43和设置在l型支架43上的v型槽44；所述l型支架43包括竖直部和水平部，两个l型支架43的开口相对设置；所述v型槽44设置在水平部的上表面，v型槽44开口向上。
[0068]
所述指示光源机构5用于检测第一精调单元、第二精调单元的转台41是否同心，指示光源机构5包括位于第二精调单元转台41中心轴上的发射组件51，以及位于第一精调单元转台41中心轴上的反射镜52，所述发射组件51包括光源511，以及沿光源511光路依次设置的物镜512和十字狭缝513。
[0069]
所述检测机构包括设置在待加工光纤上方的两个相机和沿x轴对称设置在待加工
光纤两侧的一组测距传感器。
[0070]
基于上述超细单晶光纤激光加工装夹调试系统，本发明提供一种超细单晶光纤激光加工装夹调试系统的调试方法，包括如下步骤：
[0071]
本实施例适用于直径50μm～200μm、长度100mm～300mm的光纤；
[0072]
步骤1、粗调：调整待加工光纤两端端部分别与第一精调单元、第二精调单元的转台41同心；
[0073]
步骤1.1、使光源511的出射光依次经过物镜512、十字狭缝513后，再由反射镜52反射回十字狭缝513形成十字狭缝反射像，调整第二粗调单元直至十字狭缝反射像与十字狭缝513重合，则第一精调单元、第二精调单元的转台41同心，如图2所示。
[0074]
步骤1.2、将待加工光纤两端放置于第一调试组件、第二调试组件的v型槽44上，且仅使待加工光纤其中一端端部与第一调试组件的v型槽44固定，使第一调试组件的转台41带动待加工光纤旋转；通过相机对待加工光纤该端在xy面的位置进行拍摄，同时调整第一二维位移台212，直到相机所拍摄的待加工光纤该端在xy面的位置无偏移，则认为待加工光纤该端端部与第一调试组件转台41同心；
[0075]
步骤1.3、仅使待加工光纤另一端端部与第二调试组件的v型槽44固定，采用步骤1.2的方法通过三维位移台31调整待加工光纤该端端部与第二调试组件转台41同心；
[0076]
步骤2、精调：调整待加工光纤两端端部分别与第一精调单元、第二精调单元的转台41同心；
[0077]
步骤2.1、调整待加工光纤在xy面上与x轴平行；
[0078]
步骤2.1.1、将待加工光纤两端分别与第一调试组件、第二调试组件的v型槽44固定；使待加工光纤一端端部位于测距传感器视场内，通过测距传感器测量待加工光纤该端端部在y轴上的光纤中心位置y1；
[0079]
步骤2.1.2、使待加工光纤另一端端部位于测距传感器视场内，通过测距传感器测量待加工光纤该端端部在y轴上的光纤中心位置y2；
[0080]
步骤2.1.3、判断y1、y2是否相等，若相等，则执行步骤2.2；否则调整第一调试组件或第二调试组件的转台41在y轴上的位置，使y1与y2相等；
[0081]
步骤2.2、调整待加工光纤在xz面上与x轴重合；
[0082]
步骤2.2.1、将底板1绕x轴向y轴反向旋转90
°
,y轴、z轴随之旋转90
°
；通过第一调试组件、第二调试组件的转台41带动待加工光纤同步旋转，使测距传感器沿平行x轴方向移动，通过测距传感器测量待加工光纤其中一端n个不同位置旋转一周的距离，得到该端在z轴上对应的n个光纤中心坐标，n为大于等于2的整数；
[0083]
步骤2.2.2、判断该端n个光纤中心坐标是否相等，若相等，则执行步骤2.2.3；否则调整第一三维旋转台221或第二三维旋转台321，并返回步骤2.2.1；
[0084]
步骤2.2.3、通过第一调试组件、第二调试组件的转台41带动待加工光纤同步旋转，使测距传感器沿平行x轴方向移动，通过测距传感器测量待加工光纤另一端n个不同位置旋转一周的距离，得到该端在z轴上对应的n个光纤中心坐标；
[0085]
步骤2.2.4、判断该端n个光纤中心坐标是否相等，若相等，则将底板1绕x轴向y轴正向旋转90
°
回到原位，y轴、z轴随之旋转90
°
回到原位后，执行步骤3；否则调整第一三维旋转台221或第二三维旋转台321，并返回步骤2.2.3；
[0086]
步骤3、检验待加工光纤装夹是否到达预设加工位置；
[0087]
步骤3.1、通过测距传感器测量待加工光纤两端端部在y轴上的对应光纤中心位置y1＇、y2＇，如图3所示；
[0088]
由于每个转台41与光纤存在偏心距e1，转台同心度em，两个转台41的对心误差en，因此，光纤与x轴存在夹角θ，则有：
[0089][0090]
步骤3.2、判断arctanθ是否小于预设值30
″
，若是，则判断待加工光纤已到达预设加工位置，调试结束，执行步骤4；否则返回步骤1；
[0091]
步骤4、实时监测激光加工旋转过程中加工光纤各轴的偏心度及同轴度；
[0092]
通过相机观测光纤两端端部在xy面上的对应光纤中心位置a1、a2，并实时观测十字狭缝反射像与十字狭缝是否重合；若a1、a2发生偏离，十字狭缝反射像与十字狭缝重合，则可以继续加工；若十字狭缝反射像与十字狭缝不重合，则停止加工，返回步骤1。
[0093]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，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所保护技术方案的范围。