本发明专利技术公开了一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法，该装置包括飞秒激光器和计算机，在飞秒激光器的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜、孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜，在扫描振镜正下方安装有数控三维运动平台，数控三维运动平台上放置有用于夹持光纤的工装夹具，开启飞秒激光器，将指示光斑置于光纤的正上方，移动数控三维运动平台，观察运动时光斑在光纤上的位置，调整工装夹具方向使数控三维运动平台移动时指示光斑始终保持在光纤的正上方，将工装夹具的可调速交流伺服电机与配套的调速器相连接，通过计算机控制飞秒激光器、数控三维运动平台及工装夹具。该方法实现了光纤微结构的加工。该方法实现了光纤微结构的加工。该方法实现了光纤微结构的加工。
【技术实现步骤摘要】
一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法
[0001]本专利技术属于光纤传感与激光加工领域，具体涉及一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法。
技术介绍
[0002]光纤光栅传感器具有抗干扰能力强，精度高，应用范围广等优点，广泛地应用于国防民生各个领域。随着科学技术的发展，人们对光纤光栅传感器的性能提出了更高的要求。灵敏度更高，精度更高，稳定性更好是光纤传感器的发展方向。当光纤光栅传感器的温度与应力发生变化时，光纤光栅的反射光谱与选通光谱会发生漂移，依据光谱漂移量可以计算得出环境参量的变化。通过在传感器表面镀敏感膜可以将环境参量的变化反映到光纤光栅传感器的温度与应力变化当中，从而起到检测环境变量的功能。
[0003]在光纤光栅传感器表面加工微结构是一种常见的传感器增敏方法。微结构可以消减光纤的弹性模量，使其对环境参量的改变产生更大的应变，同时还可以在光纤传感器表面附着更多的敏感材料，因而可以有效增加传感器的灵敏度。
[0004]光纤表面微结构常见的加工方式有离子束刻蚀法、机械抛磨法、化学刻蚀法与激光加工法。离子束刻蚀法加工精度较高，但是加工效率较低且成本高昂；机械抛磨法、化学刻蚀法加工效率较高，但难以控制具体加工形状，难以加工复杂结构。而激光加工法具有较高的加工效率与加工精度，以及良好的可控性，是一种适用于光纤表面复杂微结构加工的方式。
[0005]目前，激光在光纤表面加工微结构主要是通过三维运动平台的运动与振镜的控制实现的。这一加工方法较为简单，通过配合运动可以实现微构的加工，但是无法在圆柱背面上加工微槽结构，因而难以实现环槽等结构的加工。
技术实现思路
[0006]在现有的光纤传感器加工技术中，存在光纤旋转困难，容易产生弯曲、扭转导致加工精度较低的现象。本专利技术的目的是提供一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案。
[0008]一种飞秒激光加工光纤微结构装置，包括飞秒激光器和计算机，在飞秒激光器的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜、孔径光阑、第一反射镜、第二反射镜和扫描振镜，在扫描振镜正下方安装有数控三维运动平台，数控三维运动平台上放置有用于夹持光纤的工装夹具，开启飞秒激光器，将指示光斑置于光纤的正上方，移动数控三维运动平台，观察运动时光斑在光纤上的位置，调整工装夹具方向使数控三维运动平台移动时指示光斑始终保持在光纤的正上方，将工装夹具的可调速交流伺服电机与配套的调速器相连接，通过计算机控制飞秒激光器、数控三维运动平台及工装夹具，以完成对光纤微结构的加工。
[0009]本专利技术进一步的改进在于，还包括吸尘装置，其放置于数控三维运动平台旁，且吸尘装置的吸口正对光纤加工位置。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，所述飞秒激光器能够产生的激光波长为1030nm，最大平均功率为20W，最大重复频率为200kHz。
[0011]本专利技术进一步的改进在于，数控三维运动平台能够实现三个方向的运动，速度范围为0.001mm/s到50mm/s，能够实现插补运动。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，所述工装夹具包括固定底座、安装在固定底座上用于支承传动装置的支承结构、用于输出动力的驱动装置及安装在支承装置上，将驱动装置输出的运动传递到光纤上的传动装置。
[0013]本专利技术进一步的改进在于，所述固定底座包括两块底板，上方的第一底板打有通孔，下端第二底板打有螺孔，两块底板间通过螺钉连接。
[0014]本专利技术进一步的改进在于，所述支承结构安装在固定底板上，包括用于支承传动装置与光纤夹持装置的轴承座、轴承以及用于支承驱动装置的电机支架；轴承座通过螺钉与固定底座相连，轴承安装在轴承座中，通过轴承座上安装的紧钉螺钉旋紧完成固定，电机支架在水平方向上设有通孔，通过螺钉完成与固定底座间的固定；在垂直方向上设有通孔，用于固定驱动装置。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，所述驱动装置安装在电机支架上，包括可调速交流伺服电机及减速器，通过螺栓固定在电机支架上。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，所述传动结构安装在支撑装置上，包括与驱动装置连接的联轴器，穿过轴承座与轴承并与联轴器相连的传动主轴，第一光纤夹持装置，第二光纤夹持装置，以及第一主动齿轮、第二主动齿轮、第一从动齿轮和第二从动齿轮；联轴器一端与减速器输出轴相连，使用键完成周向固定，并使用紧固螺钉旋紧固定，另一端与传动主轴相连，通过紧固螺钉旋紧完成与主轴的固定；传动主轴另一端与轴承相连，能够自由转动；第一光纤夹持装置与第二光纤夹持装置通过轴承同心固定在轴承座中，转动时阻力较小；通过旋紧螺纹结构完成夹紧，夹持光纤；第一从动齿轮、第二从动齿轮分别与第一光纤夹持装置、第二光纤夹持装置相固定，第一主动齿轮、第二主动齿轮分别固定在传动主轴两端，并且前述从动齿轮相啮合；两组齿轮传动比相同，以完成两端同步传动。
[0017]一种飞秒激光加工光纤表面微槽的加工方法，包括以下步骤：
[0018]步骤一：使用刀具去除光纤外保护层，放置于丙酮中使用超声波清洗，清洗完毕后使用无水乙醇与去离子水清洗残余丙酮，旋转旋钮，松开第一光纤夹持装置，第二光纤夹持装置，将清理完成的光纤从第二光纤夹持装置穿入，并从第一光纤夹持装置，施加拉力使光纤紧绷，旋紧完成夹持；
[0019]步骤二：开启飞秒激光器的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到光纤的正上方，调整工装夹具的位置，使光纤轴向方位与数控三维运动平台的X轴方向重合，移动数控三维运动平台，调整工装夹具位置确保指示光斑保持在光纤正上方，将工装夹具固定在数控三维运动平台；
[0020]步骤三：依据所需微结构的尺寸与形状，计算光纤的运动速度与旋转速度，规划扫描振镜路线，打开吸尘装置，开启飞秒激光器，通过计算机控制数控三维运动平台、工装夹具以及扫描振镜，完成微结构的扫描加工；
[0021]步骤四：将光纤放置于丙酮中，置于超声波清洗仪中，开启超声波清洗仪，清洗光纤表面熔融物残留，将光纤置于无水乙醇中进行超声清洗，去除光纤上残余的丙酮，再置于清水中去除残余的乙醇，获得洁净的微结构光纤。
[0022]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：
[0023]1.本专利技术采用飞秒激光加工微结构，可以高速、高效率、高精度地实现光纤表面三维微结构无崩边、无裂纹、无热影响、表面平滑的高质量加工。
[0024]2.本专利技术采用辅助吸尘装置，有效去除在烧蚀过程中产生的喷溅熔融物及等离子体。等离子体聚集会产生等离子体屏蔽效应，使激光能量衰减，无法达到所需加工效果；熔融物喷溅会沉积在光纤微结构表面，使加工结构尺寸出现较大误差，同时会极大降低加工表面质量。
[0025]3.本专利技术所述光纤夹具可以完成光纤旋转，便于在光纤表面加工环形等三维微结构。
[0026]4.本专利技术所述光纤夹具包含两个光纤夹持装置，通过轴承固定于夹具两端，通过传动装置完成同步转动。这一结构可以在两端对光纤施加拉力本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)和计算机(9)，在飞秒激光器(1)的激光光路上通过光学固定支架依次放置有扩束镜(2)、孔径光阑(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和扫描振镜(6)，在扫描振镜(6)正下方安装有数控三维运动平台(8)，数控三维运动平台(8)上放置有用于夹持光纤(30)的工装夹具(10)，开启飞秒激光器(1)，将指示光斑置于光纤(30)的正上方，移动数控三维运动平台(8)，观察运动时光斑在光纤(30)上的位置，调整工装夹具(10)方向使数控三维运动平台(8)移动时指示光斑始终保持在光纤(30)的正上方，将工装夹具(10)的可调速交流伺服电机(11)与配套的调速器相连接，通过计算机(9)控制飞秒激光器(1)、数控三维运动平台(8)及工装夹具(10)，以完成对光纤(30)微结构的加工。2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，还包括吸尘装置(7)，其放置于数控三维运动平台(8)旁，且吸尘装置(7)的吸口正对光纤(30)加工位置。3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述飞秒激光器(1)能够产生的激光波长为1030nm，最大平均功率为20W，最大重复频率为200kHz。4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，数控三维运动平台(8)能够实现三个方向的运动，速度范围为0.001mm/s到50mm/s，能够实现插补运动。5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述工装夹具(10)包括固定底座、安装在固定底座上用于支承传动装置的支承结构、用于输出动力的驱动装置及安装在支承装置上，将驱动装置输出的运动传递到光纤上的传动装置。6.根据权利要求5所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述固定底座包括两块底板，上方的第一底板(22)打有通孔，下端第二底板(24)打有螺孔，两块底板间通过螺钉连接。7.根据权利要求6所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述支承结构安装在固定底板上，包括用于支承传动装置与光纤夹持装置的轴承座(19)、轴承(20)以及用于支承驱动装置的电机支架(13)；轴承座(19)通过螺钉(21)与固定底座相连，轴承(20)安装在轴承座(19)中，通过轴承座(19)上安装的紧钉螺钉(24)旋紧完成固定，电机支架(13)在水平方向上设有通孔，通过螺钉(23)完成与固定底座间的固定；在垂直方向上设有通孔，用于固定驱动装置。8.根据权利要求7所述的一种飞秒激光加工光纤微结构装置，其特征在于，所述驱动装置安装在电机支...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔健磊，宋若松，梅雪松，王文君，凡正杰，刘斌，段文强，孙铮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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