一种v型槽光纤包层激光微纳加工系统及方法与流程

本发明涉及一种光纤包层加工方法，具体涉及一种v型槽光纤包层激光微纳加工系统及方法。

背景技术：

单晶光纤是一种新型的一维功能晶体材料，它拥有玻璃光纤的高长径比和大比表面积特点，具有散热好、效率高、热管理简单等优势；材质本身来源于性能优异的单晶材料，该类材料具有热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优点。因此，单晶光纤在高功率光纤激光领域，特别是红外光纤激光领域具有重大应用前景，在信息通讯、材料加工、医疗等领域具有重大应用价值。

目前应用于激光领域的单晶光纤的设计、结构及制作等，都全部直接借鉴和延续了传统玻璃光纤的技术工艺，在端面抛光、包层制备以及器件耦合等方面存在一定的失配性，在一定程度上增加了单晶光纤器件的能量损耗。

单晶光纤器件的发展目标是小型化与集成化，这一目标离不开超细直径单晶光纤的制备，更离不开相关加工工艺的开发，其中光纤熔接与光纤包层技术便是其中的重点。光纤包层的意义在于其可以通过降低光纤外部的折射率实现光纤内部光束的全反射，提高光波导效率。对玻璃光纤而言，在光纤外部制备与纤芯具有折射率差值的二氧化硅包层，进而实现全反射是目前获得高效光波导的主要方法，但这种方法并不适用于晶体光纤，这是因为传统的二氧化硅包层虽然可以实现表面包覆，包层与纤芯折射率以及热学性质相差较大，光纤内部会出现严重的热效应，极大程度上降低了光纤的传输效率与使用寿命。因此，优化晶体光纤加工工艺，实现高效的包层结构迫在眉睫。

国内外的研究团队针对晶体光纤包层也进行了一系列研究，主要的制备方法有溶胶凝胶法、磁控溅射法、液相外延法与离子注入法。

溶胶凝胶法制备光纤包层是通过将包层材料的前驱体溶液涂覆到晶体光纤表面，通过高温烧结形成致密的晶态包层，chien-chihlai等人于2014年报道了利用溶胶凝胶法对直径40μm的ti:al2o3单晶光纤进行了晶态al2o3的包层制备，实现了纤芯内部的全反射。该方法成本低，操作简便，但包层均匀性及包层制备效率较低。

2018年jasond.myers等人报道了使用磁控溅射法进行yag单晶光纤的包层制备，将处理后的yag光纤放置在沉积室中，同时使用多个高纯度yag溅射靶来提高包层速率并实现包层的均匀覆盖。这一过程通常会持续数百个小时，包层厚度一般为20-30nm，这一方法制备的包层致密性较好包层内部无明显的气孔等优势，但制备速率较慢。

2018年，美国陆军实验室报道了通过液相外延法在yb:yag单晶光纤表层制备一层致密的yag晶体包层，将纳米级y2o3和al2o3粉末加入助熔剂中，将包层生长温度保持在900-1150℃。此种方法制备的包层厚度可以通过生长时间来进行调控，范围在1-150μm左右，但是包层区域受坩埚尺寸限制。

离子注入法耗时时间久、工艺繁琐且离子注入不均匀导致包层均匀性较差。

因此，虽然单晶光纤拥有着优异的综合性能，但单晶光纤的全反射以及单/双包层结构加工工艺仍不成熟，成为目前制约单晶光纤激光发展的瓶颈之一。特别是在单晶光纤的包层制备环节，目前仍未获得高效高质的成熟可靠技术。

此外，中国专利文件cn103412366a公开一种蓝宝石光子晶体光纤及其制备方法，蓝宝石光子晶体光纤包括纤芯和包层，纤芯由位于光纤中心部位的实心层三氧化二铝构成，包层为包围纤芯外围呈周期性分布的空洞阵列结构，空洞阵列结构为周期性分布的微型凹槽结构，空洞阵列结构之间有实心层三氧化二铝。该晶体光纤是通过飞秒激光微爆加工，在纤芯周围加工周期性孔道，形成光子禁带，从而实现纤芯内部的全反射。但是，其只能在晶体制备过程中实现周期性孔道的加工，无法对已制备得到的晶体进行灵活加工处理进而实现光束在纤芯内部全反射，大大限制了应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种v型槽光纤包层激光微纳加工方法，解决现有晶体光纤包层制备方法存在的工艺路线复杂、制备效率较低、重复性差、损耗高等问题。本发明采用空间整形的方式对激光进行三角形平顶光整形，利用三角形平顶光直接在光纤表面加工出v型槽。

本发明的技术方案是提供一种v型槽光纤包层激光微纳加工系统，其特殊之处在于：包括激光器，依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、可变圆形光阑与分光镜，以及设置在分光镜透射光路中的光学整形元件与设置在分光镜反射光路中的聚焦镜；

激光器出射激光至变倍扩束镜，经变倍扩束镜调整激光光束直径后经过可变圆形光阑后透过分光镜进入光学整形元件，光学整形元件将激光高斯光斑整形成三角形平顶光，后依次经光学整形元件及分光镜反射至聚焦镜，聚焦镜将加工光束聚焦至工作面。

进一步地，该加工系统还包括位于分光镜与聚焦镜之间的功率衰减器；用于调节激光光束能量。

进一步地，所述光学整形元件为空间光调制器。

本发明还提供一种基于上述v型槽光纤包层激光微纳加工系统的v型槽光纤包层激光微纳加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、按照需要加工的微槽尺寸，确定聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径d0；

步骤2、根据公式1计算扩束光斑直径d；

其中d0为聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径，m²为光束质量因子，f为聚焦镜焦距，k为一个折射率函数；

步骤3、根据ε＝d/d′设置变倍扩束镜的倍率ε，其中d′为激光器的出射光斑直径；

步骤4、设置可变圆形光阑的通光直径为d；

步骤5、在光学整形元件上加载外接圆直径为d的三角形平顶光全息图；

步骤6、开启激光器，激光光束经变倍扩束镜扩束为直径等于d的光束后再经过可变圆形光阑垂直入射至光学整形元件，光学整形元件将激光光斑由高斯光斑整形为外接圆直径为d的三角形平顶光；

步骤7、经光学整形元件整形后的三角形平顶光经光学整形元件及分光镜反射，至聚焦镜，输出聚焦光斑尺寸为d0的三角形平顶光直接作用于光纤表面；

步骤8、控制激光束沿光纤轴向方向移动，在光纤表面加工出v型槽。

本发明还提供另一种v型槽光纤包层激光微纳加工系统，其特殊之处在于：包括激光器，依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜、分光镜，设置在分光镜透射光路中的光学整形元件，以及依次设置在分光镜反射光路中的聚焦镜及三角形可变光阑；

激光器出射激光依次经过变倍扩束镜与分光镜后进入光学整形元件，光学整形元件将激光高斯光斑整形成圆形平顶光，经分光镜反射后通过聚焦镜聚焦并通过三角形可变光阑整形为三角形平顶光汇聚至工作面。

进一步地，该加工系统还包括位于分光镜与聚焦镜之间的功率衰减器；用于调节激光光束能量。

进一步地，所述光学整形元件为空间光调制器。

本发明还提供一种基于上述v型槽光纤包层激光微纳加工系统的v型槽光纤包层激光微纳加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、按照需要加工的微槽尺寸，确定聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径d0；

步骤2、根据公式1计算扩束光斑直径d；

其中d0为聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径，m²为光束质量因子，f为聚焦镜焦距，k为一个折射率函数；

步骤3、结合激光器的出射光斑d′，设置变倍扩束镜的倍率ε＝d/d′；

步骤4、在光学整形元件上加载直径为d的圆形平顶光全息图；

步骤5、开启激光器，激光光束经变倍扩束镜扩束为直径等于d的光束后再经过分光镜垂直入射至光学整形元件，光学整形元件将激光光斑由高斯光斑转换为光束尺寸为d的圆形平顶光；

步骤6、调整三角形光阑的外接圆直径为di，d/di＝lf/lf-h，其中d为经变倍扩束镜扩束后光束的直径，di为三角形光阑的外接圆直径，lf为聚焦镜的后工作距离，h为三角光阑放置距离聚焦镜的距离；

步骤7、经光学整形元件整形后的圆形平顶光经光学整形元件反射，并通过分光镜将出射的激光光束依次直接反射至聚焦镜与三角形可变光阑，三角形可变光阑将激光光斑由圆形平顶光转变为三角形平顶光；输出聚焦光斑尺寸为d0的三角形平顶光直接作用于光纤表面；

步骤8、控制激光束沿光纤轴向方向移动，在光纤表面加工出v型槽。

本发明的有益效果是：

由于光纤包层(光纤纤芯最细50微米)表面v槽的尺寸大约在个微米级别(1-10微米)级别，采用三角形平顶光加工v型槽具有以下好处：

1、目前并无激光直接加工光纤包层微结构的具体方法，本发明首次提出采用激光加工光纤包层微结构的具体方法，与现有晶体光纤包层制备方法相比较，具备高效、高精度、高一致性、低成本等优点；

2、针对激光加工来说，v槽尺寸在个微米级别，采用激光分层制造等激光加工方式会存在分层及层间拼接精度控制困难的问题，利用三角形平顶光进行加工简单、便捷、易于操作；

3、光纤(光纤纤芯最细50微米)极细，高斯光斑激光由于能量过于集中，在其表面制备v槽时，容易因能量过于集中而对光纤本身产生损坏(光纤断裂、裂纹、打穿等等)，经过能量整形后的激光光斑属于三角形平顶光，可有效提高其制备的品质。

附图说明

图1a为实施例一中的光学系统框图；

图1b为实施例二中的光学系统框图；

图2为普通的高斯光斑激光能量分布曲线及加工形貌图，其中a为普通的高斯光斑激光能量分布曲线，b为激光在材料表面加工出“坑状”结构；

图3为利用三角形平顶光实现v形槽的加工原理图；a为激光光斑形状，b为加工的v型槽；

图4为利用三角形平顶光实现不同斜率v型槽加工原理图；a为通过调整三角形平顶光的形状实现不同斜率v型槽的加工原理图，b为不同形状的三角形平顶光沿着oe方向以速度v移动时的加工原理图；

图5为实施例一中的光学系统示意图；

图6为实施例二中的光学系统示意图。

图中附图标记为：1-变倍扩束镜，2-可变圆形光阑，3-分光镜，31-pbs分光镜，32-旋光器，4-光学整形元件，5-功率衰减器，6-聚焦镜，7-三角形可变光阑。

具体实施方式

本发明针对激光为高斯光束在光纤表面只会形成“坑”状结构，且在加工过程中由于激光能量分布集中，导致加工晶体光纤材料容易造成材料损伤或者光纤断裂的问题，采用空间整形的方式对激光进行三角形平顶光整形，同时采用光束直径可变的方式实现加工过程中v形槽倾角的改变加工。

具体利用三角形平顶光实现v形槽的加工具体原理如图3所示；

激光在材料表面进行加工，当激光能量密度大于物质的激光损伤阈值其中激光能量密度＝激光单脉冲能量/激光光斑面积，则会对材料产生破坏，从而实现加工。普通的高斯光斑激光能量分布曲线如图2中a所示，高斯光斑中心为激光能量最集中的一点，这样使得高斯光斑中心的能量密度远大于边缘，从而使得激光在材料表面加工出“坑状”结构，如图2中b所示。

本发明将普通的高斯光斑整形为三角形平顶光后，如图3中a所示，其激光能量密度在b、c、d三点处的激光加工损伤阈值一致，即三点如果加工时间一致，则加工的深度一致。但是当激光光斑沿da这条线的方向运动时，由于激光在这一方向的加工时长最长，能量叠加的更多，导致在这条线上的加工深度最深，其对应关系如图3中b所示。

可以通过调整三角形的形状实现不同斜率v型槽的加工，原理如图4所示。图4中a图△cde与△abe之间，由于de边长的斜率比ae的小，导致光斑沿着oe方向运动时，de边长的任一点加工累积时间的差距比ae边长的任一点加工的累积时间的差距小，因此当作用在材料表面上时，二者加工的v型槽的斜率不同，即△cde加工的v型槽比△abe加工的v型槽的斜率小。如图4中b，假设a、b、c为光纤表面上同一水平位置的三个点，当三角形平顶光沿着oe方向以速度v移动时，此时若三角形平顶光形状为△abe，则该光斑在光纤表面b、c点所加工的时间从三角形驶入b点到三角形驶出b点分别为lmn/v，以及loe/v，由于光斑在该区域加工的时间不一样，因此加工的深度也不一样，而b、c两点加工深度的斜率则由△t＝tc-tb＝loe/v-lmn/v决定。那么假设光斑的形状变化为△cde，则该光斑在光纤表面b、c点所加工的时间从三角形驶入b点到三角形驶出b点分别为llm/v，以及lo′e/v，则b、c两点加工深度的斜率则由在该两点所加工的累积时间差△t＝tc-tb＝lo′e/v-llm/v决定。从图示△cde与△abe在b，c出的累积加工时间差完全不同。

可以通过改变三角形平顶光光斑的大小实现不同尺寸大小v型槽的加工。具体可采用变倍扩束镜改变入射光斑大小，或者三角形可变光阑，达到改变聚焦三角形平顶光光斑的大小，具体公式为：

其中d0为聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径大小，m²为光束质量因子，f为聚焦镜焦距，k为一个折射率函数，d为扩束光斑直径，即为经变倍扩束镜扩束后的光斑直径。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

实施例一

如图1a及图5所示，本实施例光学系统包括激光器，依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜1、可变圆形光阑2与分光镜3，以及设置在分光镜3透射光路中的光学整形元件4与依次设置在分光镜3反射光路中的功率衰减器5与聚焦镜6。激光器出射激光至变倍扩束镜1，经变倍扩束镜1调整激光光束直径后经过可变圆形光阑2后透过分光镜3进入光学整形元件4，光学整形元件4将激光高斯光斑整形成三角形平顶光，后依次经光学整形元件4及分光镜3反射至功率衰减器5，经功率衰减器5调节能量后，进入聚焦镜6，聚焦镜6将加工光束聚焦至工作面，实现加工。其中光学整形元件4可采用微透镜阵列/空间光调制器/doe等光学元件。本实施例中可变圆形光阑2用于遮挡杂散光。分光镜3可以是pbs分光镜31与旋光器32的组合结构。

具体加工方法如下：

1、按照需要加工的微槽尺寸，确定聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径d0；其中微槽的开口宽度等于等腰三角形平顶光的底边长度；

2、根据公式1计算扩束光斑直径d；

3、结合激光器的出射光斑d′，设置变倍扩束镜1的倍率ε＝d/d′；

4、设置可变圆形光阑2的通光直径为d，用于抵挡杂散光；

5、在空间光调制器上加载外接圆直径为d的三角形平顶光全息图；

6、开启激光器，激光光束经变倍扩束镜1扩束为直径等于d的光束后再经过可变圆形光阑2垂直入射至空间光调制器，空间光调制器将激光光斑由高斯光斑转换为外接圆直径为d的三角形平顶光；

7、经空间光调制器整形后的三角形平顶光经空间光调制器反射，并通过分光镜3或者其他可以使入射光线及出射光线分离的装置pbs分光镜31与旋光器32结合的方式，将出射的激光光束依次直接反射至功率衰减器5与聚焦镜6，输出聚焦光斑尺寸为d0的三角形平顶光直接作用于光纤表面；

8、控制激光束沿光纤轴向方向移动，在光纤表面加工出v型槽。

若需要在加工过程中实时调整三角形平顶光的聚焦光斑大小，可通过调整变倍扩束镜1或者可变圆形光阑2实现；若需要调整不同斜率v型槽的加工，则需要通过切换空间光调制器加载的三角形平顶光全息图，若需要实现斜率一致但深度不一致v槽加工，则通过调节能量衰减器液晶、分光片、衰减片等等通过衰减能量实现加工。

实施例二

如图1b及图6所示，本实施例光学系统包括激光器，依次设置在激光器出射光路中的变倍扩束镜1、分光镜3，设置在分光镜3透射光路中的光学整形元件4，以及设置在分光镜3反射光路中的功率衰减器5、聚焦镜6及三角形可变光阑7；

激光器出射激光依次经过变倍扩束镜1与分光镜3后进入光学整形元件4，光学整形元件4将激光高斯光斑整形成圆形平顶光，经分光镜3反射后经过功率衰减器5，后经聚焦镜6聚焦并经三角形可变光阑7整形为三角形平顶光聚焦至工作面，实现加工。光学整形元件4可采用微透镜阵列/空间光调制器/doe等光学元件。

具体加工方法如下：

1、按照需要加工的微槽尺寸，确定聚焦后三角形平顶光光斑的外接圆直径d0；其中微槽的开口宽度等于等腰三角形平顶光的底边长度；

2、根据公式一计算扩束光斑直径d；

3、结合激光器的出射光斑d′，设置变倍扩束镜1的倍率ε＝d/d′；

4、在空间光调制器上加载直径为d的圆形平顶光全息图；

5、开启激光器，激光光束经变倍扩束镜1扩束为直径等于d的光束后再经过分光镜3垂直入射至空间光调制器，空间光调制器将激光光斑由高斯光斑转换为光束尺寸为d的圆形平顶光；

6、调整三角形光阑的外接圆直径为d/di＝lf/lf-h，其中d为光束扩束后的直径，di为三角形光阑的外接圆直径，lf为聚焦物镜的后工作距离，h为三角光阑放置距离聚焦物镜的距离；

7、经空间光调制器整形后的圆形平顶光经空间光调制器反射，并通过分光镜3或者其他可以使入射光线及出射光线分离的装置pbs与旋光器32结合的方式，将出射的激光光束依次直接反射至功率衰减器5与三角形可变光阑7，三角形可变光阑7将激光光斑由圆形平顶光转变为三角形平顶光物理拦光效应；三角形平顶光经过聚焦镜6聚焦后，输出聚焦光斑尺寸为d0的三角形平顶光直接作用于光纤表面；

8、控制激光束沿光纤轴向方向移动，在光纤表面加工出v型槽。

若需要在加工过程中实时调整三角形平顶光的聚焦光斑，可通过调整三角形可变光阑7口径实现；若需要调整不同斜率v型槽的加工，则需要更换不同的三角形可变光阑7，若需要实现斜率一致但深度不一致v槽加工，则通过调节能量衰减器液晶、分光片、衰减片等等通过衰减能量实现加工。