光纤端面精细处理方法与流程

本发明是一种光纤端面精细处理方法，属于激光技术领域，尤其属于光纤激光技术中光纤处理方法。

技术背景

光纤激光器具有光束质量好，转换效率高，集成度高等优势在工业，军事领域有着广泛的应用。现代工业加工和军事战术武器需要光纤激光器的输出功率达到千瓦级以上乃至万瓦量级，也对光纤自身的物理性能和处理工艺提出了高要求，如耐高温，高损伤阈值，端面处理光滑无瑕疵，处理成任意角度等。尤其在端泵系统中，光纤端面既要作为泵浦光的输入端，又要作为谐振腔的输出端，需要承受泵浦光和振荡激光双向的压力，端面稍有划痕、瑕疵、污染物在千瓦级以上功率传输时会烧毁光纤。

随着光纤激光技术的进步，光纤家族的种类也在不断增加，新型光纤不断问世，如光子晶体光纤、微结构光纤、多芯光纤、三角芯光纤、塑料光纤、多包层光纤等，但是目前处理光纤端帽的方式还是局限于机械研磨和专用的切割刀切割。机械研磨时，需要多道研磨工艺，研磨纸颗粒由大到小逐步研磨，工艺相当复杂，且容易在端面留下细小的划痕。对于微结构光纤或光子晶体光纤，机械研磨时其上的空气带隙里会留下研磨颗粒，在光纤使用中，如有高功率连续光或峰值功率高的脉冲激光时，会造成光纤端面热聚焦，严重时会造成光纤端面损伤乃至光纤烧毁。机械研磨工艺在光纤端面容易留下的细小划痕，不利于光纤的使用。机械研磨会引入应力，容易造成光纤材料内部的晶格形成变形层。采用切割刀切割时对于不同的光纤需要设置不同的参数，如拉力大小、刀头步进次数、切割角度等，在切割多边形光纤时容易留下道口切痕，切割光子晶体光纤时容易造成其中间的空气带隙碎裂。在千瓦级或更高功率传输时，这些瑕疵会造成光纤端面产生热点，温差过大时会损坏端面，严重时会烧毁光纤。

为此，本发明公开一种光纤端面精细处理方法，利用材料表面处理的氩离子减薄方式处理光纤端面，同时克服机械研磨和切割刀切割存在的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决技术背景中存在的问题以及目前光纤端面处理工艺中存在的技术缺陷，提供一种光纤端面精细处理方法。

一种光纤端面精细处理方法，其特征在于，包括下列几个步骤：

步骤一：将光纤切割操作区设置在一真空室1中，在真空室1内的顶部上安装有高分辨变焦CCD2，在真空室1的内壁上安装有聚焦高能离子枪3和监控器9，第一聚焦高能离子枪3与监控器9连接；在真空室1的另一侧内壁上安装有第二聚焦高能离子枪4，第二聚焦高能离子枪4与监控器9连接；在在真空室1的内壁上安装有聚焦高能离子枪3内壁上，在监控器9位置的的下方，安装一个精细运动台8，在精细运动台8的上面安装有一个精细光纤夹具7；精细运动台8与监控器9连接；高分辨变焦CCD2与监控器9连接；

步骤二：将所需处理的光纤01端面的涂覆层剥去一段，放置在真空室1内的精细光纤夹具7上，剩余端的光纤放置在真空室1的底部，放置好关闭真空室1，并开启真空泵实现真空室1的真空环境；

步骤三：通过监控器9调节精细运动台8，该调节包括所需处理的光纤端面倾斜角度，光纤端面粗糙度大小不同而所需的减薄位置不一样，将所需处理的减薄位置通过升降来与聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4的枪口对齐；通过调整精细运动台8的倾斜来达到所需处理的角度，根据步进电机的行程得知精细运动台8所倾斜的角度，并且倾斜角度大小在监控器9中有显示；

步骤四：通过监控器9对CCD2进行操作，调节CCD的高度、聚焦位置、放大倍率，使得光纤端面的图像能清晰的显示在监控器9中；

步骤五：待真空室1的真空度达到10^-6Pa时，真空泵不停，此时可通过监控器9来启动聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4，同时根据光纤纤径不同来调整精细运动台8的平移速率，使需处理的光纤01的表面10在聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4下面运动，使需处理的光纤01的表面10被磨擦，等光纤整个端面都经过聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4的枪口水平位置时，表示整个减薄过程结束；此时整个光纤端面的原子层都被氩离子均匀的冲击掉，直到光纤端面的表面10粗糙度小于0.5nm，达到超光滑水平；

步骤六：待氩离子减薄结束时，通过CCD2采集的数据验证端面处理结果；如果有瑕疵，转入步骤五；如果无瑕疵，停止真空泵的工作，再过一段时间后等真空室1内的真空环境慢慢破坏后打开真空室1取出光纤即可。

其步骤五中细运动台8的平移速率控制在10-10000um/h。

步骤三中所述的精细运动台8的运动精度在20nm，对于通常情况下5-3000um纤径的光纤都可保证高精度操作。

从技术方案看，本发明的有益效果是：

1、可以同时克服传统的机械研磨和切割刀切割处理光纤端面的缺陷，不存在划痕、表面扭曲、切割刀口，无应力引入。

2、表面光洁度比传统的机械研磨和切割刀处理都高，接近超光滑表面。

3、一次成功，无需繁琐的工艺步骤。

4、可以精细处理任意材料、任意纤径、任意结构的光纤端面。

附图说明

图1.本发明装置结构示意图。

其中，01为光纤，1为真空室，2为高分辨变焦CCD，3为第一聚焦高能离子枪，4为第二聚焦高能离子枪，5为光纤01的去涂覆层部分，6为光纤的含有涂覆层部分，7为精细光纤夹具，8为精细运动台，9为监控器，10为光纤01的表面。

具体实施方式

一种光纤端面精细处理方法，其特征在于，包括下列几个步骤：

步骤一：将光纤切割操作区设置在一真空室1中，在真空室1内的顶部上安装有高分辨变焦CCD2，在真空室1的内壁上安装有聚焦高能离子枪3和监控器9，第一聚焦高能离子枪3与监控器9连接；在真空室1的另一侧内壁上安装有第二聚焦高能离子枪4，第二聚焦高能离子枪4与监控器9连接；在在真空室1的内壁上安装有聚焦高能离子枪3内壁上，在监控器9位置的的下方，安装一个精细运动台8，在精细运动台8的上面安装有一个精细光纤夹具7；精细运动台8与监控器9连接；高分辨变焦CCD2与监控器9连接；

步骤二：将所需处理的光纤01端面的涂覆层剥去一段，放置在真空室1内的精细光纤夹具7上，剩余端的光纤放置在真空室1的底部，放置好关闭真空室1，并开启真空泵实现真空室1的真空环境；

步骤三：通过监控器9调节精细运动台8，该调节包括所需处理的光纤端面 倾斜角度，光纤端面粗糙度大小不同而所需的减薄位置不一样，将所需处理的减薄位置通过升降来与聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4的枪口对齐；通过调整精细运动台8的倾斜来达到所需处理的角度，根据步进电机的行程得知精细运动台8所倾斜的角度，并且倾斜角度大小在监控器9中有显示；

步骤四：通过监控器9对CCD2进行操作，调节CCD的高度、聚焦位置、放大倍率，使得光纤端面的图像能清晰的显示在监控器9中；

步骤五：待真空室1的真空度达到10^-6Pa时，真空泵不停，此时可通过监控器9来启动聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4，同时根据光纤纤径不同来调整精细运动台8的平移速率，使需处理的光纤01的表面10在聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4下面运动，使需处理的光纤01的表面10被磨擦，等光纤整个端面都经过聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4的枪口水平位置时，表示整个减薄过程结束；此时整个光纤端面的原子层都被氩离子均匀的冲击掉，直到光纤端面的表面10粗糙度小于0.5nm，达到超光滑水平；

步骤六：待氩离子减薄结束时，通过CCD2采集的数据验证端面处理结果；如果有瑕疵，转入步骤五；如果无瑕疵，停止真空泵的工作，再过一段时间后等真空室1内的真空环境慢慢破坏后打开真空室1取出光纤即可。

其步骤五中细运动台8的平移速率控制在10-10000um/h。

步骤三中所述的精细运动台8的运动精度在20nm，对于通常情况下5-3000um纤径的光纤都可保证高精度操作。

本发明公开一种光纤端面精细处理方法，其结构示意图如图1所示，该处理方法的处理装置包括：

一真空室1，用于处理光纤端面的空间，是整个光纤端面精细处理的基本保证，真空室1内真空度优于10^-6Pa，用于保障氩离子不与气体分子碰撞耗散能量，同时在氩离子减薄工作时真空泵处于工作状态，抽走氩离子和被氩离子冲击掉的光纤材料颗粒。

一高分辨变焦CCD2，其在真空室1内上部，与监控器9相连，用于监测光纤端面处理实施图像，并且可以使用监控器9调整其位置和放大倍数，根据实际的光纤端面大小和聚焦情况，其放大倍数为50-1000X，并且镜头前带有聚光灯，可以实时调整位置将光线投射到光纤端面上，保证能真实有效的看见光纤端面图像。监控器9能保存图片信息，可以将未处理和处理完的光纤端面情况 进行对比，也可以对处理过程中出现的瑕疵进行及时调整修正，但是一般情况下不会出现瑕疵，因为氩离子冲击掉光纤端面上的颗粒是原子分子层面的，而且离子枪是匀速冲击，基本不存在减薄过程中出现瑕疵。

一聚焦高能离子枪3，在真空室1内一侧，与监控器9相连，其输出离子束流能量范围为2-20keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其用于快速的减薄光纤端面，其离子束能量和离子束直径可以通过监控器9来调节，可通过监控器9独立操作。一般情况下在20keV的束流能量时，对3000um纤径的石英光纤的减薄速率可以达到1000um/h，表面处理速率会因为光纤的材料结构和表面情况而改变，束流直径也可以控制在nm量级，所以匀速冲击减薄完光纤端面的光滑度在nm量级，处理时甚至可以达到超光滑表面。

一聚焦低能离子枪4，在真空室1内另一侧，与监控器9相连，其输出离子束流能量范围为0.01-2keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其用于慢速的减薄光纤端面，处理端面的光滑度要优于聚焦高能离子枪4的处理效果，但是处理速率比聚焦高能离子枪4要慢，减薄的时间也要相应的延长，处理的光纤端面能保证达到超光滑水平。

一光纤01，放置在真空室1内，即为氩离子减薄要处理的光纤样品，在聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4的90°夹角位置处，其含有端面10，去涂覆层部分5和含涂覆层部分6，该光纤可以为任意材料，任意现有纤径，和任意结构，因为氩离子减薄处理的石英样品最大可以达到里面量级，这点对处理光纤端面来说是足够的。

一精细光纤夹具7，在精细运动台8上，与含有涂覆层部分6相连，用于固定光纤，夹具的大小可调，可以固定任意纤径的光纤。目前一般纤径范围0.1-3000μm。

一精细运动台8，其上包含精细光纤夹具7，与监控器9相连，作用是控制光纤倾斜、水平旋转、以及平动，其运动的精度可以控制到20nm以下。

一监控器9，与高分辨变焦CCD2，聚焦高能离子枪3，聚焦低能离子枪4，精细运动台8相连接，用于显示CC2所采集的实时图像信息以及CCD2的操作控制，控制聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4。

本发明的操作步骤是：

将所需处理的光纤01端面的涂覆层剥去一段，放置在真空室1内的精细光纤夹具7上，剩余端的光纤放置在真空室1的底部，放置好关闭真空室1，并开 启真空泵实现真空室1的真空环境。

通过监控器9调节精细运动台8，该调节包括所需处理的光纤端面倾斜角度，光纤端面粗糙度大小不同而所需的减薄位置不一样，将所需处理的减薄位置通过升降来与聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4的枪口对齐。通过调整精细运动台8的倾斜来达到所需处理的角度，由于其运动精度在20nm，对于通常情况下5-3000um纤径的光纤都可保证高精度操作，可以根据步进电机的行程得知精细运动台8所倾斜的角度，并且倾斜角度大小在监控器9中有显示。

通过调节监控器9的CCD2的操作模块，调节CCD的高度、聚焦位置、放大倍率，使得光纤端面的图像能清晰的显示在监控器9中。

待真空室1的真空度达到10^-6Pa时，真空泵不停，此时可通过监控器9来启动聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4，同时根据光纤纤径不同来调整精细运动台8的平移速率，其速率可以控制在10-10000um/h，等光纤整个端面都经过聚焦高能离子枪3或聚焦低能离子枪4的枪口水平位置时，表示整个减薄过程结束。整个光纤端面的原子层都被氩离子均匀的冲击掉，光纤端面的表面粗糙度小于0.5nm，达到超光滑水平。

待氩离子减薄结束时，通过CCD2采集的数据验证端面处理结果。如果无瑕疵即可，停止真空泵一端时间后等真空室1内的真空环境慢慢破坏后打开真空室1取出光纤即可。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：将本发明简单应用到一束光纤的端面处理，以及超大纤径的光纤端面处理。

发明公开一种光纤端面精细处理方法，通过氩离子减薄工艺来处理光纤端面。可以解决传统研磨工艺和切割工艺的缺陷，可以处理任意纤径和结构的光纤，并提高光纤端面精细处理水平，使得光纤端面达到超光滑水平，甚至能看到光纤端面的真实结构形貌，本方法可以处理任意材料，任意结构，任意纤径的光纤端面，并可处理成任意角度。

本发明公开一种光纤端面精细处理方法，其特征在于使用氩离子减薄的方法处理光纤端面，可以处理任意材料，任意纤径，任意结构的光纤，也可以将光纤端面处理成任意角度，并且保证光纤端面超光滑无损无瑕疵，表面疵病等级为零。

本发明光纤端面精细处理方法采用的结构示意图如图1所示，包括：

一真空室1；

一高分辨变焦CCD2，其在真空室1内上部，与监控器9相连；

一聚焦高能离子枪3，在真空室1内一侧，与监控器9相连；

一聚焦低能离子枪4，在真空室1内另一侧，与监控器9相连；

一光纤01，放置在真空室1内，在聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4的90°夹角位置处，其含有端面10，去涂覆层部分5和含涂覆层部分6；

一精细光纤夹具7，与含有涂覆层部分6相连；

一精细运动台8，其上包含精细光纤夹具7，与监控器9相连；

一监控器9，与高分辨变焦CCD2，聚焦高能离子枪3，聚焦低能离子枪4，精细运动台8相连接。

所述的真空室1，其真空内压强小于10^-6Pa。

所述的高分辨CCD用于监测光纤端面处理的实时图像信息，放大倍数为50-1000X。

所述的聚焦高能离子枪3，其输出离子束流能量范围为2-20keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％。

所述的聚焦低能离子枪4，其输出离子束流能量范围为0.01-2keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％。。

所述的光纤01为任意类型光纤，纤径范围为0.1-3000μm，材料类型可以为塑料、石英、石英掺杂等，光纤结构可以为微结构、多边形、圆形等。

所述的精细光纤夹具7在精细运动台8上，用于固定光纤01，与光纤01中的含涂覆层部分6连接，可以固定的现有光纤任意光纤，现有光纤纤径范围一般为0.1-3000μm。

所述的精细运动台8，是控制光纤倾斜、水平旋转、以及平动，其运动的精度可以控制到20nm及更低尺寸。

所述的监控器9，其与高分辨变焦CCD2，聚焦高能离子枪3，聚焦低能离子枪4，精细运动台8相连接。其作用是监测高分辨变焦CCD2的采集光纤端面10 图像信息，控制聚焦高能离子枪3、控制聚焦低能离子枪4、控制精细运动台8。

采用材料表面处理的氩离子减薄工艺处理光纤端面。同时克服机械研磨和切割刀切割工艺中所存在的缺陷，并能处理不同材料、不同纤径、不同结构的光纤，兼容性好并能有效提高光纤端面处理光洁度和粗糙度，光纤端面可以达到超光滑水平。氩离子减薄是采用氩气离子冲击光纤端面的材料原子，使用高能的氩离子冲击掉光纤端面的材料原子，由于氩气是惰性气体，不会与光纤材料中的原子结合生成新的化合物。并且冲击掉的光纤材料原子和氩离子会被真空泵所排出，可以保持处理过程高度清洁。

氩离子减薄工艺和机械研磨比，光纤端面可以呈细微镜面，不会有划痕，扭曲变形，凹凸不平等现象，也不会有研磨的颗粒嵌入到光纤端面中，尤其在处理光子晶体光纤时，颗粒嵌入去除效果尤为明显。使用氩离子减薄抛光光纤端面能看到菊池线，并且光纤端面的菊池花样完整。氩离子减薄能看到光纤材料的真实结构，可以用于扫面电镜SEM监测光纤端面表面形貌。

为了实现本发明的目的，本发明技术方案结构如图1所示，结构包括：

一真空室1，真空度优于10^-6Pa，用于保障氩离子不与气体分子碰撞耗散能量。

一高分辨变焦CCD2，其在真空室1内上部，与监控器9相连，用于监测光纤端面处理实施图像，并且可以使用监控器9调整其位置和放大倍数，根据实际的光纤端面大小和聚焦情况，其放大倍数为50-1000X，并且镜头前带有聚光灯，可以实时调整位置将光线投射到光纤端面上，保证能真实有效的看见光纤端面图像。

一聚焦高能离子枪3，在真空室1内一侧，与监控器9相连，其输出离子束流能量范围为2-20keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其用于快速的减薄光纤端面，其离子束能量和离子束直径可以通过监控器9来调节，可通过监控器9独立操作。

一聚焦低能离子枪4，在真空室1内另一侧，与监控器9相连，其输出离子束流能量范围为0.01-2keV，使用的是高纯氩气源，氩气纯度大于99.999％，其用于慢速的减薄光纤端面，处理端面的光滑度要优于聚焦高能离子枪4的处理效果。

一光纤01，放置在真空室1内，即为氩离子减薄要处理的光纤样品，在聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4的90°夹角位置处，其含有端面10，去涂 覆层部分5和含涂覆层部分6，该光纤可以为任意材料，任意现有纤径，和任意结构。

一精细光纤夹具7，在精细运动台8上，与含有涂覆层部分(6)相连，用于固定光纤，夹具的大小可调，可以固定现有任意纤径光纤。目前一般光纤纤径范围0.1-3000μm。

一精细运动台8，其上包含精细光纤夹具7，与监控器(9)相连，作用是控制光纤倾斜、水平旋转、以及平动，其运动的精度可以控制到20nm以下。

一监控器9，与高分辨变焦CCD2，聚焦高能离子枪3，聚焦低能离子枪4，精细运动台8相连接，用于显示CC2所采集的实时图像信息以及CCD2的操作控制，控制聚焦高能离子枪3和聚焦低能离子枪4。

通过监控器9来操作光纤端面精细处理步骤，真空室1内全人工控制操作，

无需人手操作处理光纤，该处理光纤端面方法可提高成品率和一致性。