本發(fā)明涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)光纖端面角度控制的激光切割方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，云計(jì)算、云存儲(chǔ)等應(yīng)用逐漸滲透各個(gè)行業(yè)，網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬要求也隨之迅猛增加，而光纖在光通信領(lǐng)域扮演著重要的角色。光纖可在各種應(yīng)用中用來傳輸或處理光。實(shí)例包括：將光輸送到形成在襯底上的集成光學(xué)組件或裝置或從所述組件或裝置接收光；在波長分割多路復(fù)用光學(xué)通信裝置及系統(tǒng)中傳輸信息通道；形成光纖開關(guān)矩陣裝置或光纖陣列到陣列連接器，及產(chǎn)生用于光放大或激光振蕩的光增益。光纖本質(zhì)上充當(dāng)“光管”以將光限制在光纖邊界中且將光從一個(gè)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)點(diǎn)。

典型光纖可簡化為具有光纖芯及圍繞光纖芯的包覆層。光纖芯的折射率比包層高從而限制光。光線相對(duì)于光纖芯的縱軸在最大角度內(nèi)耦合到光纖芯中，所述光線在光纖芯與包層的界面處全內(nèi)反射。此全內(nèi)反射在空間上將光線的光能限制在一個(gè)或多個(gè)選定的光纖模式中以沿著光纖芯引導(dǎo)光能。

常見的光纖端面被處理為垂直于光纖光軸的平面，而在某些應(yīng)用場合則需要光纖端面傾斜特定的角度，例如8°角或45°角等等。目前，現(xiàn)場光纖的獲得主要是采用光纖切割刀切割光纖。在切割刀磨損或質(zhì)量不好時(shí)，切出的光纖端面存在缺陷，即光纖端面不是一個(gè)完整的圓形，其邊沿會(huì)留有部分光纖沒完全切斷，導(dǎo)致光纖端面出現(xiàn)凹凸不平等問題，一致性較差。另以方面，光纖切割刀屬于接觸式機(jī)械切割，而光纖本身直徑很小，承受力很脆弱，要想用光纖刀切割出具有一定傾斜角度的光纖端面十分困難。

現(xiàn)在也出現(xiàn)了利用激光切斷光纖的加工方法，該類技術(shù)專利包括US7142741B2《Laser Cutting Method and apparatus for optical fibers or waveguides》、US005421928A《Laser removal of excess optical fiber prior to connector polishing》等，此類專利對(duì)于采用復(fù)雜的光束整形如調(diào)整激光入射角、調(diào)整光纖傾角等方法實(shí)現(xiàn)光纖切割。不論直接對(duì)激光入射角進(jìn)行調(diào)整還是對(duì)光纖傾角進(jìn)行調(diào)整，其均需要對(duì)大量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)多個(gè)部件進(jìn)行調(diào)整，成本高、操作繁瑣，不利于提高生產(chǎn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種操作簡便，計(jì)算量小的可實(shí)現(xiàn)光纖端面角度控制的激光切割方法及系統(tǒng)。

關(guān)于本發(fā)明一種可實(shí)現(xiàn)光纖端面角度控制的激光切割方法，其技術(shù)方案為：確定激光入射角度，使激光入射角度滿足切割后的光纖端面垂直于光纖光軸，根據(jù)所需加工的光纖端面傾斜角角度相應(yīng)調(diào)整激光橢圓形光斑的長軸方向改變量，所述激光橢圓形光斑的長軸方向改變量與所需加工的光纖端面傾斜角角度一致。

進(jìn)一步的，根據(jù)公式確定當(dāng)切割后的光纖端面垂直于光纖光軸時(shí)的激光入射角度，所述D為光纖直徑，w為橢圓聚焦光斑短軸半寬度，所述θ₉₀為光纖切割端面垂直于光纖光軸時(shí)的激光入射角度。

進(jìn)一步的，所述激光橢圓形光斑的長軸變化量通過旋轉(zhuǎn)柱面鏡進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)一步的，所述光纖端面傾斜角為時(shí)，所述激光橢圓形光斑的長軸變化量為所述柱面鏡旋轉(zhuǎn)角度也為

進(jìn)一步的，所述激光進(jìn)行切割時(shí)，需沿光軸左右移動(dòng)所述柱面鏡，以使橢圓光斑的長軸與短軸比例滿足3：1～5：1。

進(jìn)一步的，在激光切割每根光纖的過程中，光纖與激光光束的位置相對(duì)固定。

進(jìn)一步的，所述激光光源為遠(yuǎn)紅外激光，所述激光光源的波長為9-11微米。

進(jìn)一步的，所述激光光源的峰值功率不小于200瓦。

進(jìn)一步的，所述激光光源的光束質(zhì)量M2因子不大于1.5。

關(guān)于本發(fā)明一種可實(shí)現(xiàn)光纖端面角度控制的激光切割系統(tǒng)，其技術(shù)方案為：包括激光光源、反射鏡、柱面鏡和聚焦鏡，所述激光光源發(fā)出的激光經(jīng)反射鏡反射后射入柱面鏡，形成橢圓對(duì)稱激光束，所述橢圓對(duì)稱激光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后對(duì)光纖進(jìn)行切割。

進(jìn)一步的，所述聚焦鏡為球面聚焦鏡。

本發(fā)明的有益效果為：將傳統(tǒng)直接通過調(diào)整激光入射角度θ達(dá)到調(diào)整光纖端面角度為所需角度的一步控制法分解為確定光纖端面垂直于光纖光軸時(shí)的激光入射角度和根據(jù)光纖端面所需角度相應(yīng)調(diào)整激光橢圓形光斑的長軸方向改變量。光纖端面垂直于光纖光軸時(shí)的激光入射角度θ₉₀僅由光纖直徑和橢圓聚焦光斑短軸半寬度決定，計(jì)算和調(diào)節(jié)過程簡便。而光纖端面傾斜角度與激光橢圓形光斑的長軸變化量，以及柱面鏡繞光軸的旋轉(zhuǎn)角度一致，僅需將柱面鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，既能使光纖端面角度為所需角度。本專利將復(fù)雜的參數(shù)調(diào)節(jié)和繁瑣的操作進(jìn)行了簡化，解決了激光在切割不同端面傾斜角要求的光纖時(shí)無法快速實(shí)時(shí)調(diào)整的問題，實(shí)現(xiàn)了多功能操作的便利性，同時(shí)，其能在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同端面傾斜角度切割光纖的快速設(shè)置工序，具有較高的效率和加工精確度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為高斯光束垂直入射切割光纖端面傾斜角度示意圖；

圖3為光纖端面垂直于光纖光軸時(shí)高斯光束傾斜入射示意圖；

圖4為橢圓聚焦光斑垂直切割光纖示意圖；

圖5為橢圓聚焦光斑傾斜切割光纖示意圖；

圖中：1-激光光源；2-激光光束；3-反射鏡；4-柱面鏡；5-聚焦鏡；6-光纖；7-激光入射角度；8-光束高斯分布寬度；9-橢圓聚焦光斑；10-橢圓聚焦光斑長軸，11-光纖端面角度。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，一種可實(shí)現(xiàn)光纖端面角度控制的激光切割系統(tǒng)，其包括：激光光源1、反射鏡3、柱面鏡4、聚焦鏡5。反射鏡3由互成90度夾角的兩塊反射鏡構(gòu)成，反射鏡與光軸呈45度夾角。本實(shí)施例中的激光光源1為遠(yuǎn)紅外激光光源，利用CO2激光器產(chǎn)生的光能及其激光參數(shù)：波長9.2——10.8微米、峰值功率大于等于200瓦、光束質(zhì)量M2因子小于等于1.5、最小脈沖寬度3微秒、最小脈沖周期10微秒；聚焦鏡5為球面聚焦鏡。激光光源1發(fā)出的激光光束2經(jīng)反射鏡3調(diào)整后，其傳輸方向可以對(duì)準(zhǔn)柱面鏡4的光軸。激光光束2經(jīng)過柱面鏡4后，與柱面鏡4的彎曲軸對(duì)應(yīng)的光束的發(fā)散角被壓縮，而與其正交的光束的發(fā)散角保持不變，其結(jié)果是將圓形對(duì)稱的激光光束2變?yōu)榱藱E圓對(duì)稱光束；沿著傳輸光軸移動(dòng)柱面鏡4的位置，能夠改變經(jīng)過柱面鏡4后的橢圓光束的長軸和短軸的比例，繞著傳輸光軸旋轉(zhuǎn)柱面鏡4，能夠改變經(jīng)過柱面鏡4后的橢圓光束的長軸或短軸的方向；激光光束2最后經(jīng)過球面聚焦透鏡5，聚焦成長寬比例合適的焦點(diǎn)橢圓光斑，可以用來切割光纖。

激光光束2的光斑橫截面光強(qiáng)具有高斯分布特征，如圖2所示的其中一個(gè)觀察軸，當(dāng)激光光束2的入射方向垂直于光纖6的光軸時(shí)，由于激光光斑光強(qiáng)的高斯分布特性和熱效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，使得切割后光纖端面并非垂直于光纖光軸，而是存在光纖端面角度11。激光與材料的作用一般情況下用熱傳導(dǎo)方程加以描述：

${\mathrm{\ρC}}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\▿\·(k\▿T)+q(x,y,z,t)$

上式中，ρ為光纖材料密度，C_p為光纖材料比熱，k為光纖材料熱導(dǎo)率，q(x,y,z,t)為作用區(qū)域的熱源強(qiáng)度函數(shù)，它與激光聚焦光斑強(qiáng)度分布成比例關(guān)系，即高斯分布函數(shù)，T(x,y,z,t)為溫度分布函數(shù)。激光切割光纖的過程，是光纖在被激光輻照時(shí)快速升溫達(dá)到材料氣化溫度，由于脈沖激光作用時(shí)間短、且光纖材料的熱導(dǎo)率很小，可以近似忽略熱傳導(dǎo)過程對(duì)材料氣化的影響。因此，被激光輻照部分的光纖材料氣化蝕刻深度直接與激光功率密度成正比例關(guān)系，在一維情況下描述為：

$h\left(x\right)={\mathrm{N\ηe}}^{-2{\left(\frac{x}{w}\right)}^2}$

上式中，h(x)為光纖材料氣化蝕刻深度函數(shù)，w為聚焦橢圓光斑短軸束腰寬度，η為與激光功率有關(guān)的常數(shù)系數(shù)，N為激光脈沖數(shù)量，此式為典型的高斯分布函數(shù)。假設(shè)若干個(gè)激光脈沖剛好將光纖切斷，則可以確定系數(shù)η與光纖直徑D的關(guān)系，即Nη＝D。減小脈沖寬度、增加脈沖數(shù)量、增加脈沖時(shí)間間隔能有效地降低熱傳導(dǎo)效應(yīng)。將氣化蝕刻深度函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，得到：

$h^{\′}\left(x\right)=-N\mathrm{\η}\frac{4x}{w^2}{e}^{-2{\left(\frac{x}{w}\right)}^2}=-\frac{2D}{w}{e}^{-\frac{1}{2}}{|}_{x=\frac{w}{2}}\≈-1.213\frac{D}{w}$

上式氣化蝕刻深度函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值在時(shí)達(dá)到最大值，也就是對(duì)蝕刻后的表面傾斜角貢獻(xiàn)最大的部分；根據(jù)氣化蝕刻深度函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，可以計(jì)算蝕刻表面傾斜角度函數(shù)為：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arctan h^{\′}\left(x\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}-arctan\left(1.213\frac{D}{w}\right){|}_{x=\frac{w}{2}}$

即激光垂直入射時(shí)，光纖端面角度11為

則有：其中θ₉₀為光纖切割端面垂直于光纖光軸時(shí)的激光入射角度。

光纖端面角度11的角度大小與激光束聚焦后沿著光纖光軸方向的寬度成非線性比例關(guān)系，改變光束高斯分布寬度8，被切割光纖6的光纖端面角度11也隨之改變；在高斯分布的光斑強(qiáng)度中，只有高于閾值條件的部分才能有效切割光纖；

如圖3所示，改變激光入射角度7，被切割光纖6的光纖端面角度11也隨之改變；除此以外，改變激光光束2的峰值功率或脈沖寬度等參數(shù)，被切割光纖6的光纖端面角度11也會(huì)隨之改變；綜合起來，在其中一個(gè)觀察軸要使得被切割光纖6的端面垂直于光纖光軸，需要配合調(diào)整激光入射角度7、光束高斯分布寬度8、激光光束2的峰值功率和脈沖寬度等參數(shù)，且難以通過計(jì)算方法確定這些參數(shù)。當(dāng)聚焦鏡5的聚焦確定時(shí)，光束高斯分布寬度8被確定，在激光光束2的峰值功率和脈沖寬度等參數(shù)也固定不變時(shí)，只用仔細(xì)調(diào)整激光入射角度7，就能在其中一個(gè)觀察軸得到被切割光纖6的端面垂直于光纖光軸的條件。如：聚焦鏡5的焦距為40毫米，聚焦成寬度80微米、長度250微米的橢圓形光斑，切割光纖，被切割光纖的直徑為125微米，則根據(jù)計(jì)算公式：

即光束垂直入射時(shí)，被切割光纖端面的傾斜角度大約為14.78°，即要使得光纖端面在激光入射平面內(nèi)與光纖光軸垂直，激光入射角度為75.2°。

而放置在傳輸光路中的柱面鏡4，其沿著傳輸光軸方向移動(dòng)，能夠改變聚焦后的橢圓光斑的長軸長度，使得橢圓聚焦光斑9的長軸長度大于光纖6的直徑；且橢圓聚焦光斑9的長軸與短軸的比例為3:1，以滿足橢圓聚焦光斑9覆蓋光纖6的直徑部分的光斑輪廓近似為直線，以保證切口切面為平面，如圖4所示。繞傳輸光軸旋轉(zhuǎn)柱面鏡4，能夠改變橢圓聚焦光斑9長軸或短軸的方向，且柱面鏡4的旋轉(zhuǎn)角度與橢圓聚焦光斑9的長軸方向角度變化量相等，從而改變切割后光纖端面的傾斜角。如圖5所示，若繞傳輸光軸旋轉(zhuǎn)柱面鏡4的角度改變量為改變橢圓聚焦光斑9長軸方向改變量也為被切割后光纖端面角度11也為

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。