[发明专利]一种飞秒激光旋转加工光纤微结构的装置及方法

权利要求书

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架(13)上，包括可调速交流伺服电机(11)及减速器(12)，通过螺栓(14)固定在电机支架(13)上。

9.根据权利要求8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(15)，穿过轴承座(19)与轴承并与联轴器(15)相连的传动主轴(17)，第一光纤夹持装置(26)，第二光纤夹持装置(28)，以及第一主动齿轮(16)、第二主动齿轮(18)、第一从动齿轮(25)和第二从动齿轮(29)；联轴器(15)一端与减速器(12)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(17)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(20)相连，能够自由转动；第一光纤夹持装置(26)与第二光纤夹持装置(28)通过轴承(20)同心固定在轴承座(19)中，转动时阻力较小；通过旋紧螺纹结构完成夹紧，夹持光纤(30)；第一从动齿轮(25)、第二从动齿轮(29)分别与第一光纤夹持装置(26)、第二光纤夹持装置(28)相固定，第一主动齿轮(16)、第二主动齿轮(18)分别固定在传动主轴(17)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。

10.一种飞秒激光加工光纤表面微槽的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用刀具去除光纤(30)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(26)，第二光纤夹持装置(28)，将清理完成的光纤(30)从第二光纤夹持装置(28)穿入，并从第一光纤夹持装置(26)，施加拉力使光纤紧绷，旋紧完成夹持；

步骤二：开启飞秒激光器(1)的指示光斑开关，利用指示光斑将激光的焦点聚焦到光纤(30)的正上方，调整工装夹具(10)的位置，使光纤(30)轴向方位与数控三维运动平台(8)的X轴方向重合，移动数控三维运动平台(8)，调整工装夹具(10)位置确保指示光斑保持在光纤(30)正上方，将工装夹具(10)固定在数控三维运动平台(8)；

步骤三：依据所需微结构(31)的尺寸与形状，计算光纤(30)的运动速度与旋转速度，规划扫描振镜(6)路线，打开吸尘装置(7)，开启飞秒激光器(1)，通过计算机(9)控制数控三维运动平台(8)、工装夹具(10)以及扫描振镜(6)，完成微结构的扫描加工；

步骤四：将光纤(30)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。