光纤微透镜的制作方法(二)

在之前的文章中，详细阐述了光纤微透镜在应用领域具有的灵活方便，易于集成封装、加工制作等众多作用和优势，另外也介绍一些制作光纤微透镜的方法。这里利用实际案例细化的讲一些使用裸光纤透镜研磨系统制作光纤微透镜的方法。由于精密研磨抛光的方法是一种比较成熟完善的柔性制作微加工方法，所以这种方法可以针对几乎所有类型、所有尺寸的光纤，将其制作成为不同型面的光纤微透镜，并可以达到良好的光学性能，实现良好物理接触性能。在光纤微透镜应用中所选择使用的光纤类型中，会多如石英光纤，软玻璃光纤，单晶体光纤，塑料光纤等。不同材质的光纤拥有不同的特性，有些光纤很脆弱，有些光纤很坚硬，有些光纤不能接触液体，有些光纤会受温度影响，有些光纤可加工性并不突出等；另外所选择的光纤还具有各种各样的外形尺寸和形状。这些光纤的性质和特地都可以使用裸光纤透镜研磨系统来制作光纤微透镜。下图中为搭建的裸光纤透镜眼膜系统。主要组成部分有：光纤研磨平台，这部分相对简单，主要由一个转速控制器，一台高精度直流无刷电机和一套柔性接触锥面摩擦传动结构（无需润滑油）的研磨盘组成，这样的结构保证了电机和研磨盘接合平稳，运转稳定，可以连续平滑的改变转速，确保了在研磨过程中研磨盘的跳动在极小的范围以内，并且简单的组成也大大节省了日后维护的时间，节约了维护成本。如图1中所示。图1光纤微定位系统，整套微定位系统结构比较复杂，由一个大行程高精度的高度调节装置做为整套系统的高度调节支撑构架，辅以一套结合了光纤柔性锁紧装置来抱紧光纤，再配合一套数字（模拟指针）显示的角度调节装置，实时显示光纤与水平夹角的度数，这套角度调节装置当中，还通过一套杠杆结构的砝码配重装置，达到对光纤与研磨盘接触时的加压与减压作用。并配合一个低速的摆动电机，使整套微定位系统可以在研磨盘的所有区域进行均匀的摆动，增加了研磨的线性度，以及减小了耗材的损耗。如图1中所示。光纤侧面/端面观察系统，主要由一部高清晰高速模拟（数字）CCD，长行程可变倍数的镜头，背光组件，配合半龙门架和三轴可调的微定位调节架组成。通过与研磨平台、光纤微定位系统位置的配合，可以实现对研磨中的光纤进行侧面实时监测的功能，以及对研磨后的光纤端面及侧面进行品质检测的功能。实时监测的功能对于光纤微透镜制作过程的整套工艺控制至关重要，而品质检测功能对于一些特殊的光纤微透镜，如保偏型透镜光纤、特殊晶体透镜光纤等显得尤为重要。如图2所示。图2光纤微透镜的几个基本面型有：平面、大小斜面型，如图3所示这类型的透镜光纤要求相对简单，但是制作加工的难度程度一点不亚于其他类型，首先平面或者大小斜面形的透镜光纤要求角度精度很高，通常都在±0.5°以内，有些要求严格的会控制在±0.1度以内，这么高的要求只有配置了可以实时显示角度的数字式角度指示器的研磨系统可以达到，并且因为数字式的角度显示器分辨率是0.01°，所以将角度精度控制在0.1°以内还是游刃有余的。图3双斜面、楔形面型，这类光纤微透镜要求主要集中在如何将光纤制作成为对称的双斜面、楔形面型，或者可控制的制作成非对称的双斜面、楔形面性。这就要用到裸光纤透镜研磨系统的侧向观察系统了。有了这套侧面观察系统，不但可以准确的定位光纤被研磨时所处的位置，还可以反馈光纤研磨切削量，从而达到精确研磨的效果，而且还可以在研磨过程中观察光纤是否断裂或出现不可控制的偏差。如图4所示。图4圆锥面型，圆锥面型光纤微透镜的制作难点在于在研磨过程中如何使光纤在轴向进行可控转速的单向自转，既不能造成脆弱光纤尖端的折断、侧面磨损等损伤的同时，又能将制作出的圆锥面型透镜光纤角度控制的非常精确。这里首先要保证研磨平台的运转平稳，其次要用到光纤微定位系统中锁紧光纤的特殊结构和光纤轴向自转功能，再通过侧面观察系统在研磨过程中实施检测光纤研磨状态及研磨质量。如图5所示。图5其他复杂面型，如图6所示这类型的光纤微透镜有各种各样的特殊要求，如保偏型透镜光纤要求对光纤中的应力区进行对准，无论是快轴对准亦或是慢轴对准，都要通过光纤端面/侧面观察系统进行调整后才能将光纤锁紧到微定位系统中。还有一些特殊类型的光纤，如单晶体蓝宝石光纤，材料决定了光纤截面为规则的六边形，那么在制作相应的透镜光纤时，也要先将光纤做轴向角度调整，才能进行下一步的研磨。还有光子晶体光纤制作光纤微透镜时，可能要对光纤中的微结构进行一定的处理或保护。以及如超小角度斜面光纤微透镜，小夹角圆锥形光纤微透镜探头，光纤制成球透镜后研磨出固定角度平面的透镜光纤等很多不同应用类型的光纤微透镜，都可以通过这套裸光纤透镜研磨系统来实现。图6最后值得一提的是，（拓普光研）目前这套裸光纤透镜研磨系统主要用于各类光纤微透镜的制作与研发，设备各个部分之间衔接紧密，但每个部分又都独立且可灵活控制，结合到一起配套使用的可操作性非常强，所需要配合的工艺细节也非常重要，需要在制作与研发过程中不断摸索、固化针对不同光纤微透镜的工艺流程。另外有别于这套相对成熟的通过研磨方法制作光纤微透镜的系统外，有一款非常适用于批量化生产类用户制作光纤微透镜的设备，采用激光微加工的方式制作光纤微透镜，这台设备直接通过软件设计透镜光纤的各项参数指标或者几何尺寸，之后通过激光微加工的方式快速、精准的按照设计方案制作出相对应的光纤微透镜。采用激光微加工的方式制作的光纤微透镜具有传统研磨方式无法比拟的优势，在研磨中光纤与研磨材料接触式加工，无法避免的对透镜光纤表面以及亚表面产生一定缺陷，这种缺陷会因程度不同给产品的稳定性带来不可预估的风险，并且存在缺陷的透镜光纤会降低光学耦合性能，然而采用激光微加工的方式制作出的光纤微透镜，因其采用的加工方式特性决定了透镜光纤制作出来时就是光学表面，加工后即可直接用于光学耦合，既保证了生产效率，提高了产品质量，又简化了工艺流程。而第二点有别于传统研磨方式制作光纤微透镜的地方，采用激光微加工的设备内置了光斑光束质量分析设备，在生产制作透镜光纤的过程中，加入在线式的光斑光束检测功能，并由于采用的是非常快速灵活的激光微加工方式加工，在光斑光束在线式检测结果出来后，可以对不太理想的透镜光纤进行在线式修正，从而尽可能的消除了光纤微透镜设计时的理论效果和实际效果之间的误差。