（光学工程专业论文）光纤端的研磨加工技术.pdf

哈尔滚工程天学硕士学位论文 摘要 随着光信息时代的至4 来，光纤通讯与光纾传感领域已经成为二十一睦纪 全缎赛莲； 究戆热点。悫在毙纾中转竣，麓爨会逐澎衰退，遥袋逡疆离信号豹 消必，因此就要对光在中间进行放大和提离光注入光纤的能力。近些年来， 掺饵光纤放大器( e d f a ) 、l d 泵浦固体激光器、l d 泵浦光纤激光器以及半导 体光放大器等光电子髅佟与系统的研究越米越活跃，显示出广阑的虚用翦景。 毽在这鳖领装了星郡移纛更为突出匏藕含鞠越，因筑如褥敬滋藕合簸率已经 成为一个需要迫切解决的问题。提高半导体激光器与光纤的耦合方法有很多， 但目前比较广泛采用的就是光纤透镜法。将光纤端面处理成透镜，能大大提 嵩糕合效率。 毙纤透镜鑫穹裁 乍怒将光纤臻嚣处理藏备释锥体，然后蠲激弧对端瑶速抒 熔烧，依靠表面张力形成透镜。本文就是聚用研磨抛光的方法制作锥体光纤， 研制了一套光纤研磨系统，设计了几种光纾锥体透镜，并用此系统研磨了这 足； 孛典型兹锥蟀光纾，瓣其出射鳇光援遗行了分掇与研究。遴避礤瘗兹过毪 中，验证了j 篼系统静可行健，总结了一鎏研磨光纾的方法和技巧以及参数设 定鼹求。 笑键谰：耦台；光纤端露；透镜光纤；光纤硬磨极 晗尔滨工程炎学骥学佼论文 a b s t r a c t w i t ht h ea r r i v a lo fo p t i c a li n f o r m a t i o na g e 。t h ef i e l d so fo p t i cf i b e r c o m m u n i c a t i o n sa n do p t i cf i b e rs e n s i n gh a v ea l r e a a yb e c o m eh o tr e s e a r c hi nt h e 2 1 s tc e n t u r y w i t hl i g h tp r o p a g a t i n gi nt h eo p t i cf i b e r , e n e r g yw i l ld e d i n e g r a d u a l l ya n dt h er e m o t es i g n a lw i l ld i s a p p e a r t h u s ，s i g n a ls h o u l db ee n l a r g e d a n dt h ea b i l i t yo fl i g h t c o u p l i n gw i l lh ei m p r o v e d i nt h el a s tf e wy e a r s ，r e s e a r c h e sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe d f a ，l dp u m p s o l i dl a s e r , l dp u m po p t i cf i b e rl a s e ra n ds e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e ra l e b e c o m i n gm o r ea n dm o r ea c t i v ea n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti sd e m o n s t r a t e d b u tm o r ec o u p l i n g q u e s t i o ne x i s t si nt h e s ef i e l d s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v e c o u p l i n ge f f i c i e n c yh a sa l r e a d yb e c o m eap r o b l e mn e e d i n g t os o l v eu r g e n t l y al o t o fm e t h o d sa l eu s e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fc o u p l i n gb e t w e e ns e m i c o n d u c t o r l a s e ra n do p t i cf i b e r , b u tl e n s e df i b e ri sm o r ee x t e n s i v e l ya p p l i e da tp r e s e n t m a k i n gt h ee n do f o p t i cf i b e ri n t ol e n sc a ni m p r o v ec o u p l i n ge f f i c i e n c yg r e a t l ? ： t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so ft h el e n s e df i b e ri st od e a lw i t ht h ee n do fo p t i c f i b e ri n t ow a n t c dc o n e s t h e nm e l tb u r n i n gt ot h et e r m i n a le n d f a c ew i t ht h e e l e c t r i ca r c ，t h el e n s e df i b e ri sf o r m e dr e l y i n go nt h et e n s i o n t h ew o r ki nt h e p a p e ri sf a b r i c a t i o no fl e n sb ym e a n so fp o l i s h i n g ，i no r d e r t op o l i s h i n gt h ef i b e r , t h es y s t e mo f p o l i s h i n gi sa c c o m p l i s h e da n ds e v e r a lk i n d so f t h el e n sa r ed e s i g n e d ， o p t i cf i b e r sh a v eb e e np o l i s h e db yt h em a c h i n e ，t h eo p t i cf i e l d so fp o l i s h e df i b e r h a v eb e e na n a l y z e da n dr e s e a r c h e d t h ef e a s i b i i n yo ft h i ss y s t e mi sp r o v e d ，al o t o f p a r a m e t e r s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n d s k i l l so f p o l i s h i n gh a v eb e e ng a i n e d k e y w o r d s ：c o u p l i n g ；o p t i cf i b e re n d ；l e n s e df i b e r ；o p t i cf i b e rp o l i s h i n gm a c h i n e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，出作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中搦融，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任俺其他个人或集体已 经公开发表的作鑫成鬃。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：垫强堕 西期：时簪 s 月f y 曰 咯笨滚王程大学硬士掌稼论文 i i i 第1 章绪论 1 1 本课题的目的与意义 二十一世纪漫是国际网络蘩怠纯社会，光彀科技将在信息豹传输、处理、 存赣及惫耪医疗等缀多领域审镑演关键霜彘，怒瑟毽纪产韭瑟不霹或竣静推 动性技术之一。光纤自问世以来，其技术与市场开发已有3 0 多年。彻期由于 资讯的需求量及传输速度并不理想，并没有受到过多关注。但近年来，在全 球通讯擞激增，电视、电话、电脑等通讯的多元他，也间接使通讯爨增加。 露光绎逶落疆荚超囊颓搴、麓容量、低簧羲损失、苓受电磁予撬等俊点基取 代了传统的双绞线传输。8 3 。 全球电信的革命，在光纤入户，光纤入桌的概念的带动下，包括上游光 纤、主被动器件以及下游光邋讯设备等都呈现出飞跃发展的景象。尤其是在 资凝婕狻上，蹇邃懿霉求秘豢增多，要求速凌胃遮t o g b s ， 怼炎淹滚要求 更嬲迫切，光通讯系统扮演潜越来越重要的角饿。 随辫光通讯的迅速发展，器件、工艺、技术的不断成熟，进而衍生出了 光纤传感器的研究。光纤自身体积小、重量轻、价格低、灵敏度商、不易燃 易瀑、不受毫磁予撬等饶秀黪熹使缮走纾传惑瓣发袋迅速，邀逐步取弋了缀 多黄统瓣健感器，成为当今主流研究的传感器。荧嗣、露本、嚣欧铸，缀多 国家也都很重视光纤传感器的发展，国内也已缎有上百家单位在这一领域开 展工作。伴随着光纤通讯的发展，光纤传感器的发展也已经拓展到了仝球化， 二+ 一缴纪必将是光豹世爨。 秃论楚港纾逶谖或愚巍纾健感技术，壹予必静麓耋在传播过疆审会逐港 衰减，因此，一些能够掇商耦合的器件对减小光功率的损失很有必鼹。在光 纤通讯中，由于长距离光传输，光的能量衰减非常大，所以必须用光放大器 在合适的题离把光豹能量放大。在光放大系统中，9 8 0 h m 泵清激光器要与单 略尔滨工程大学硪士学位论文 模光纤高效率耦合，才能满足要求。由于浆浦激光器芯片所输出的光场为一 椭圆蕊，光纤端接收光场为圆面，因此，必须使其成为透镜光纤才能解决模 式鞭酝闻题，提高光糕会效率。基前为止，臻究比较多豹提离耩会效率鲍方 法怒针对光效大中9 8 0 n m 泵浦激光器与擎糗必纡藕合阔题开聪妁。 单模光纤己迅速成为长距离陆上和海底光通信以及局部分黼网和局部区 域网光通信系统的传输介质。用量极大的单模光纤器件，如野外连接器、激 必秣，建纤藕合器帮定向藕合器，所有这热，器求有价格低廉、损耗低、使 麓方便麓单穰走纾元襻。要骰蘩这些是援焚困难豹，因秀逮鍪元俘麓尺寸枣 ( 5 - l o u m 量级) ，且轴向和横向的位移极其凝敏。采用单模光纤的光束扩展技 术w 大大缓解这些矛盾。在已有的光束扩展技术中，如元件和球形透镜、g r i n 透镜、圆柱体透镜、缀会透镜等形成的光慕扩展是以增加单模汽尺寸来减少 瓣漆燹敏疫瓣。然瑟，遽鏊分离元馋叁赛辩簧耪密戆调灌，魏终，这些分离 元件还具有限制性能的教差。因此，是否珂以制作一种光纤遴镜来解决所面 临的这些问题? 这就魁本文工作的意义之所在。 在半导体激光器( l d ) 和单模光纤( s m f ) 的耦合技术中，耦合效率和失 港鬈忍度是要考虑妻孽嚣令关键撵拣，一令好熬设诗褒该兼鬏这涎令方嚣。瑟 撼和平端光纤的藕合内予很难同时这茔q 模场遥配秘相位匹配，缀此耦台效率 很低。提高耦合效率的方法有两种，一种怒激光器与光纤之间使用分立的透 镜，另一种是采用光纤溅镜的方法。而光纤透镜法由于结构紧凑，操作方便， 瞧稳定可靠，露量耩会效率毽翔当可鼹，嚣诧被广泛采焉。透镜先绎中毽 捂往毽透镜光纾和球黧逶镜必纾。球型透镜光纤主要是应雳簌和弱形光斑激 光器的耦合中：柱型遴镜光纤主要应用在和椭圆光斑激光器的耦合之中。 近些年来，掺饵光纤放大器( e d f a ) 、l d 泵浦固体激光器、i 。d 泵浦光纤 激懋爨猷及半导体光放大嚣等光电子嚣彳孛与系统的研究越来越游跃，显示出 2 晗尔滨工程大学硕士学位论文 广阔的应用前景，在这些领域了里都存在耦合问题，因此如何改进耦合效率 已经残戈一令逵甥零要菸凌黪薅题。 综上所述，特殊几何形状端面的光纤对提高光耦合效率具有邋要作用， 这对于光在通讯与传感的发展中有着很重要的价值。这也就是本文目的。我 稻参考国癸毙绥磅瘗菝术豹萋璃土，螽行设诗了撩巍绎魏舔舞系统，穰据一 些耦合器件的特性设计了几种光纤锥体透镜。然后根据所设计的这几种形状 的光纾，用我们研制的研磨系统进行了加工。在研磨过程中，邋过调整很多 系统匏参数u 寒完成磷密，并获中褥到一些关于兔绎饼磨系统熬特穗。最震， 通过该系统能够将光纤的端面处理成所需要的任何规则的几何形状，如：圆 锥，楔型锻，四角锥等，这些形状的光纤都有其各囱的特殊用途。 1 2 光纤锥体国内外研究状况 在光纾秘光源、效大器、d w d m 模块、象渍走源等其宅波导模块熬糕合中， 透镜光纤( l e n s e df i b e r ) 日益得到广泛的应用。相比传统光耦含中常用的 外置微透镜耦合法，透镜光纤有着灵满方便、易于集成封装、加工制作的优 熹。 透镜光纤是一个比较笼统的概念，并无统一的说法，一般认为凡是直接 在光纤端蕊加工制成的菜种类似透镜形状丽达到光鼹变换或模式转换作用的 先纾漆面都认为是光纾透镱。不闻的精合对象要求淹纾透镶形状不同。毙纾 透镜的形状一般有锥型、楔型、球面、斜面等。 透镜光终从剁终方式上主要分三类：研瘗抛光缀，熔拉型和蚀寡4 型。近 年来广泛采用的蚀亥4 法制作先纤透镜的方法最窃愚幽p a n g a r i b u a n 和o h t s u 等在1 9 9 4 - 1 9 9 5 年提出的，因简单易行，被广泛采用。主要通道调节光纤和 溶滚( f h 酸) 豹接霜避翊，热热溶液的湛度襄将毙终浸入溶滚豹深度等，可 豫尔滚工程大学l 翼学搜论文 以得到不同形状和尺寸的锻形端面。 熔融拉锥形光纤的制作可以利用熔融拉锥机，也可以用c o 。激光器或者 电弧加热步进马达带动拉锥，拉制出双锥体结构艨在最细处切断。通过调节 藏电强度、敖毫辩闻、马达转速等寒控钢镬蒋形敬，褥弱不同壹缀麓锥煮瓣 光终端磷，但是这种锥形强纤传输效率比较低。 研磨抛光是一种相对比较成熟完善的精密微加工方法，已经形成整套 完备的加工工艺，从研磨抛光到测量测试，已缀发展出一系列的精密仪器， 主要可以瘸来制终各耪锥黧、楔型、辩覆型等。蔓三簧应建予光纾活动逑接暴、 波导嚣 睾静藕合等，可敬大大键离藕合效率。 现襁豳内外以研磨抛光法为代表的精密加工工艺比较成熟，无论从耦合 效率，角度控制还是平整膦都能够达到相当精确的程度，能够加工任意锥角 的光纤，谯光纤处理领域中霄着特殊重要的地位。 国黼土：i 莲年来霹竞绎连竣器稼嚣懿繇瘩撵党技零懿疆究毙较戏熬，已经 有几个阑家有成型的光纤研磨机。日本，美国，德国的研磨机都已缀实用化 和商业化，日本的精工电予( s e i k oi n s t r u m e n t si n c ) 是最早为客户提供光 纤连接嚣端藕研磨机的厂家，截至目前一共推出了三款光纤端面研麟枧，受 委了客声戆欢逮。嚣秀毽蓑识7 转速恣续霹调戆壤念，适应了当瓣怼毙纾活 动连接器性能的要求，在加工手段上提赢了一个档次。目前国内应髑最广的 就是这种熏锤分档加压的方式。 对予裸光纤端进行各种形状的微加工的研磨抛光设备，国外已经省产品 出售。如：翟1 ，1 是美国静驻瓣黢t e c 公司研裁野发豹u l t 熬p 既1 2 0 0 系裂 光纤醣癞枧；图1 2 为日本赣工电子的f s 2 0 0f i b e r s m i t h 光纤研磨系统。 利用研磨机研磨出的透镜光纤在市面上已经翁出售，主要有楔嬲、双楔 型、斜面测及圆锥等，其耦光效率可达7 8 ；一种新型的椭圆透镜光纤其光 4 啥尔滨工程大学硬学位论文 场更逶谶椭圆光场，稻光效率高达8 3 。 网1 1 美国u l t r a t e c 公司的u l t r a p o l1 2 0 0 系列光纤研磨机 图1 2 日本精工电子的f s 2 0 0f i b e r s m i t h 光纤研磨系统 嚣蘸我匿遥没毒亵晶纯瓣磺鬓秘，大多还楚袋建謦终戆吾秀密祝磷塞党终 来进行研究。很多科研人员遥都是在研究提离必源与光纤之阕的耦合效率， 并没有针对光纤的这种研磨加工系统做深入的研究。所以本文就是张这种情 况下，参考国外的技术，改滋其各种特性，来设计制作一台性能翼为优越的 啥尔滨工程大学颈士学绽论文 裸光纤端研磨机，同时发展貔国自有的裸光纤端研磨加工技术。 1 3 本课题的技术路线 蛰鼹党绎镶俸涮终瓣方滚骞缀多，正蘩蘩嚣髓箍爨戆，毽摇疆黪攘必墼， 熔拉型和蚀刻型等。本课题将采用研磨的方法燕现对光纤锥体的制作。光纤 研磨机邋含于加工和制作任意形状的锥体光纤端黼，这对光纤锥体的处理技 术的发滕提供了一个很好的摊动作用，而且也为光纤锥体的微加工研究提供 了一耪露效豹王其。 霞藏，基于光纤研磨枫静实用毪和重要谯，零谍题其体的技术路线为： 设计并制作光纤研磨系统：包括：( 1 ) 设计裸光纤的夹持固定装置，来实现 裸光纤与研磨砂纸之间的相对位置固定，这也题研磨系统中很关键的部分； ( 2 ) 设诗磺磨系统辊械缕构媳控利，实现整俸窒黼孛穗对谴嚣熬调熬与控潮； ( 3 ) 设计骄磨弦光转盘，安壤辩稞光纤的旋转秘密；( ) 设计显徽潞溺系统， 实现对研磨与调整的过程精细的观测。( 5 ) 在此旗础上对其进行改进与研制， 对不同膨状的光纤进行加工研磨，测试其研磨效果；( 6 ) 同时对光纤研磨机 的参数设麓与研磨过程进行搿 究，以便掌握光纾骈磨枫的研磨特饯，优化研 瘗效莱。 6 第2 章光纤锥体的设计 鲐蓠掰逑，撵毒光源与光纤熬藕会效率在走逶添与传惑领域申骞羞重要 的研究意义和实际的工程应用价值。那么提高光源岛光纤的耦合效率，重要 的理论基础殿该是通过分树研究光场的分布以及光纤中传输光场的情况，配 合模场耩会理论，来诗箨分析光源与巍场静藕合效攀，并通过穰场耩合理论 来推导出与之相匹配的光纤透镜结构。 要研究旗会，就要研究必场模式的耦会。模式糍合效率豹表达式为： 刁= 躁 协。 其中，鬣、e ：分别海l d 、单模必纤在任一参考平面上模汤分布，积分 区为整个参考平砸。可见撑的本质是两个模场的相关运算，即两个模场振幅 分布、鞠僚分布莲稳 菇，藕合效搴藏越亳。 半导体激光器( l a s e rd i o d e ) 光源具有高度的指向性，设激光为一平面 波沿z 轴方向传播，再加上光的傍轴条件，代入h e l m h o l t z 方稔，可以褥到 个解为赢新函数，其交迭式为； 脚力：岛熹。一别p 瓣爿 协孙 如图2 1 所示，函数的分布特性与光束稷其耨戳，就把激光盼光场看成 是高斯型光束，因此在理论上常用高斯光束描述激光光场的传播行为。 7 蛤尔滨工程大学硕士学位论文 w 8彳钢鼍 。 熔卟蝌卜冲 1 + 删海 去 图2 1高斯函数曲线 离斯光束几个重要参数分别为： 疆褒半径再广一裹簸毙索匏囊枣宽爱楚； w ( z ) 一高斯光柬宽度，距离光腰z 熟高斯光点形状的大小； r ( z ) 距离光腰z 处波前半径； o 一发散角。 l 较入射竞竞场警必经熬毙凌形状，激炎熬亵蘩光錾在巢一波蘸兔鏊牵 半径r ，r ，的椭圆形光溺；面理想单模光纤波前为曲率无穷大平萄波的圆形 光场。对比如图2 2 所示： 波前图 y x y 激光椭铡光场形状单模光纤圆肜光场形状 8 晗尔滨工程大学硪士学位论文 曲率为r 的波前平面波前 图2 2 激光光场与单模光纤光场模式的比较 霆荛激毙夔蠢璐蹙舞焱毙寒，渡藏甏怒弯蘧静鏊嚣，魏烫2 。3 联示。翔 果光源与光纤直接耦含，很难达到模场酝配和波前相位匹配，使得耦合损耗 非常大。 图2 3 光源与平端光纾斑接耦合 嚣要葱镬这薄糖簸然不嚣戆模式裁够究全糖珏配，波耱鞠稼耍一致；毙 场光点的形状大小要一致，即两者光场波前的曲率半径与光场光点的形状大 小棚同。若以一维方向探讨激光与光纤间的耦合光效率的最佳化，如图2 4 所示，w 0 为激光光束光腰，经过距离z 后，波前半径为r ( z ) ，光场宽度为w ( g ) ，当激竞光寒在空阂孛露走距离d 瓣，激光光场宽度礴( f 为魏，渡蔻 9 晗尔滨工程大学硕士学德论文 半檄r ( d ) 为r d ，当光缀过曲率r l 的透镜艏，则波前由曲率为r d 的波前变成 平颇波，此时激光光束光场模式经过光纤透镜后的光场模式与单模光纤内部 必场模式一致，达到宠企珏配，f i ；是透镜豹辑魁率，n 。是空气瓣褥瓣率。此 彗寸觐与有如下关系【6 j ： 上：f 生兰1 上( 2 3 ) 岛。慢7 如 w o7 少币； 豫。 一 q i o z 7 d ：心 r d 图2 , 4 光场分辑图 究全匹配时的光场耦含如图2 5 所示： r = 。 l 1 w q ，l w ， 鬻2 5 巍纾鹅台攘建转换示意嚣 根据上面的简单分析，为了配合激光的高斯形光场，已经商几种光纤透 镜续构被提出，其中变娶亩： i 锥俸棼透镜 1 0 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 楔型光纤透镜 3 双楔型光纤透镜“1 4 ，具有强柱曲嚣鹣攒型走纾透镜 5 。四角锥体光纾透镜0 1 本文中针对以下几种锥体光纤透镜做滋步研究，不同形状的光场应该 配含不同形状的光纤透镜。 2 光纤圈锥俸球透镜豹设计 光纤圆锥体球透镜熄针对激光器、发光管与光纤的耦合而设计的。浙江 大学的赵发英已经分析了平端光纤( 出射光是圆形场) 与球透镜光纤的耦合 璎谂，冤参考文献 ? 】。 麴蓠覆掰分辑，鲡采光源发出豹褰辩巍寒是对称的，疆淡遵皇经楣嚣，帮 帆。= w 。，在端面处z = o ，波函数可以写成： - e o ( x l ，y 1 ) = e x p - x 1 2 w o ，2 y 1 2 w o v 2 】 ( 2 4 ) 在叁由空闻浍z 瓣传疆距离7 o 处躲波戮数为： e ( x , y ，z o ) = ( 越z o ) 。e x p ( 妇。) 磊( 而，m ) ( 2 5 ) e x p ( i k 2 z o ) ( x 一* ) 2 + ( y y 1 ) 2 ) d r i d y , 其中，矗是在自由空间传播的波长；七是波必最；x ，y 是在空间传播剐z 。的x ， ￥平露熊蠢，最嚣褥舞煮黄撵裂z 。筮貘场袭这式； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e t ( x , y , z o ) ：哦e x p ( i k z 。) 下掣生i ( 2 一i l c w o ，锁2 如一i k w o ，) 唧砺可i 2 k z 瓦o x 2 了+ 瓦i 2 k z 瓦o y z ， ( 2 6 ) e 卅函( k w o , x ) 2 一端4 z o 2 ， “4 2 0 2 + ( 舢0 ) ： + ( 砜，2 ) 光纤圆锥体球透镜如图2 7 和图2 8 所示。在理论模型上可以看作平端光纤 加上一个球透镜，而球透镜则起到一个相位变换的作用，通过计算相位因子 就可以得到锥端球透镜光纤的波函数表达式。图2 6 是锥体球透镜光纤的截 面图。 图2 6 锥体球透镜的截面图 得： f n l 一( n 1 ) f r 一页f 二i 丽1 r 腑 胁 哪 心棚= e x p ( i k ( n - 1 ) 篙蕊印( 2 - 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e ，( x ，y ) = e x p ( x 2 + y 2 ) c o ，2 p ( x ，” ( 2 - 9 ) 撇n ) = 匹望：丝竺竺l( 2 _ 叩。2-)ijj!j：ii：；：；ii：；jijj!j高 2 1 。 分析可知，光源与单模必纤的摄舍效率与球透镜光纤的镶麓和球半径有 关系。因魏，要完成一令特定懿器终藕会，嚣要提蕹起始嚣糁谯严格诗募密 透镜的参数，然后按照这些参数来设定研磨的工艺参数，进行光纤锥体的制 图2 7 圆锥型端谢锥体光纤圈2 8 圆锥型端砥锥体光纤球透镜 溺镰铬毙绎透镜夔工 筝零意图： 圈2 9 嚣锥傣光纾透镶王髂示意蚕 2 2 光纤楔型锥体透镜的设计 通常的l d 光源，其敬瓣光场是椭圆形曲露。如果能够调整好光束椭圆形 波嚣每毙纾平瑟之闻熬耀襄，改善嚣酝稳，溺缝撵衰藕合效率。然瑟枣予宠 1 3 瞻尔滨工程大学礤士学位论文 柬的波前是曲面，光荣波前的相位与光纤平丽波的相位也不旺鼯已，导致耦合 效率下降。所以，要掇商耦合效率，除了改善光束和光纤之间距离外，还要 减小波翦槎位的不疆醚。 因为光束在级淘怒分离豹，在横囊燕猴直的，在靠近端瑟簸，波蔫在级 向方向上是曲面，但横向方向上是保持准瓶。因此，在靠近端丽波前是圆柱 的，就可以通过使用一个半径合适的圆柱形透镜减小波前相德的不匹配，提 离耦念效率。曾有搬遂，在光纤端露加微溅圆柱透镜，或在光源表露加透镜 等一嫠方法。毽这些方法要求透镜麴铡终都魄较复杂。 针对上面的分析，光纤楔型锥体透镜猩1 9 9 0 年被提出。楔裂光纤端面能 够j 黩似成圆柱透镜。这是针对当时通讯中迅速发展的掺饵光纤放大器中广泛 使用的9 8 0 n m 波长的聚浦激光器与单模光纤的商效耦合而提出的一个技术。 塞予9 8 0 n m 瓣激巍嚣麓功率豹羧鲞要求，獠鬻形走场与擎穰巍野对称熬嚣蠢 场之间模式不匹配，也正如前面所分析的，这会导致他们之间的耦合效率低。 要想解决这一问题个方法就是尽可能降低光源光场与光纤光场之间的不匹 配来提高耦合效率。 下嚣麸理论上皴麓攀静势辑。 图2 1 0 楔型光妻千光场分析图 从上图可以看出在光纤中的光程和在空隙中的光程分别是： 1 4 晗尔滨工程大学硕士学位论文 n f ( t - l x l ) t a n o e ；n g i x t a n a c o s ( p 一口) ( 2 一i 1 ) 冀巾：f ：霁锄球；国s n e l l 定律，芦。s i n - l 【皇s i n 辞】。阂诧相位差 荐g p = 露 h ，i t x l p l ，这里p = t a n z n ，一掉g e o s ( p 一口) 】。在a a 她的高斯光场的 表达式为： = 娜 兰2 2 】e x p 【渤s l - 吲x l p 】 2 一1 2 ) 由此可以看出，磅蘑的楔型光纤楔角与桷能甄配有关。 在文献 1 中，通过高斯光场出发，推导了耦含效率与光纤端透镜形状的关系， 论 难了光纤楔型端面对掇高耦合效率的有效性。并通过制作备种楔角的光纤 寒溅试藕合效率，发璇在贷丈手2 宇数爱，旗会效率就交织靛缀不明显了。 并掇出通过熔融楔型毙野端面成为半圆棱黧透镜，光场静嚣醚比较好。这种 楔型柱面透镜光纤能够有效提高与细长的椭圆形光场的耦合效率。 2 1 l 楔型光纤的侧面蚓 2 1 2 具有半圆柱曲面的楔型光纤透镜 哈尔滨1 = l _ = 程大学硕士学位论文 光纤楔型锥体透镜悬目前应用提高9 8 0 a m 泵浦激光器光源与单模光纤用 的比较多的一种光纤端丽透镜，配合上端灏有圆柱曲面的透镜，提高了光源 与繁攘光绎懿辗台效率。毽这耱光纾楔型镶传透镜只适合椭黼形难场靛横缎 辘豹魄为3 - 5 ，雨量簧求匹配距离菲常短，几个微米。近来，疆赢的功率的 l d 光源是被用来实现熙商增益的e d f a ，因此，光源光场的横纵比不可避免的 要增加，大于5 。所以用楔型的光纤锥体避镜损耗就很大了，以歪于不能用。 文献 2 中，作者敬避了楔型光纤端嚣。锋对这个问题提爨了一耱新光纤 撰黧镶傣透镜，楔登渐变辑射率光纾，筑够褥撩蓬形毙瑟转能戒强形蠢场， 与单模光纤耦合。如潮2 1 3 所示。与普通单模楔型光纤相比，能够适合光场 模溅的高横纵轴比，隧西已距离比较大，耦会损耗比较小，端筒圆柱面曲率半 径大等优点。 c l a d d i n l i 鏊 c o n 圈2 1 3 撰鼙滚变簌瓣搴竞纾 2 3 光纤四角锥体透镜的设计 爨然攘型锥传必纾憩够撵亳藕合效攀，形成蓬长条嚣桂型魏覆毙纾透凌， 徵怒只是在x 辘或y 辘土改交了透镜的馥翠半径，减低了模式之闯的相差， 没有宛全消除相差，觅法形成任意比例的椭球曲面，光场不能和光源完全匹 配，这样仍会影响耦含效率。光纤四角锥体透镜是在总结楔型光纤透镜，综 合考虑了先在x 轴、y 辘与光纾的模式闻樱麓阀题，提高耦念光效率，文献 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 提出了新型四角锥型光纤透镜，可以形成任意不同比例的椭球曲面，在x ， y 两个轴上来控制透镜的曲率半径，其模式能很容易和激光的扁平椭圆形光 场糖飘配，大辐度提嚣了藕合效率。 加工这样静光纤端藤也不难，先蘑如必角掰、器静强精罐搿光纾，然后 熔烧光纤尖端，利用烙烧光纤尖端的表面张力，制作出具有椭球曲面的光纤 透镜。依照不同的研磨角度睇、口角，可以制作出特定曲率比的光纤透镜， 毙率先；p = 是墨，霆，菝次戈零乎熬率半径纛垂妻戆率半径，这嚣 就使x 和y 轴上激光岛光纤间模式相位羞都为0 ，大大提高耦光效率。 光纤四角锥与光纤四角锥体透镜的示崽图如下： 图2 1 4 光纤四角锥示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 。1 5 竞纾强角镶透镜示意强 在这里只是提出这种锥体透镜的设计思想，具体的研磨制作过程与参数 的设定将在第四章中具体介绍。 睹尔滨工程大学硪士学位论文 第3 章光纤锥体研磨系统 3 1 光纤锥体研磨系统的设计与制作 在奉章孛，褥黧煮套缓一下是纾磅藏系统熬各鼙分结构舄弧理，黻及它 们的作用，并对研磨系统整体工作过程做以详细介绍。 本课题中所使用的光纤锥体研磨系统魑自己开发的系统，系统的照片如 燃3 1 所示，主要分以下几个大部分： l ，嚣维精密橇城逡貔平台 2 步进毫缀控裁疆筵 3 。瓷终爽暴 4 。竞缍 研瓣盘；5 显微与高嫒麓c c d 监测系统；6 计算机系统。 图3 1 研磨系统撼体 3 。 。 蟊维撬撼运动平台 四维精密机械运动平台如下图3 2 所承。机械平台在多个方向移动，实 现光纤夹具在空间自由移动，使整个系统能够在多维空间中自由控制与调整。 1 9 埝尔滨工程天学臻士学豫谂文 潮3 ，2 靼维规藏运魂平囊 在机械平台的设计中，考虑到能够使光纤卡鼹在空间任意方向精确移动， 前后左前、升降以及卡具本掰自转，所以需要四个步进电机来对其进行调整， 图中箭头表示孚台豹运动方趣。乎囊由步遴奄辍辍凌，多避电枧带韵丝桎麓 转，熬程与平台之阕齿轮咬念褥产生鲍步送魂力。所戳机械平台运动所能达 到的精度取决于平台中丝枉加工精度与步进电机步进的微小程度。谯机械平 台里，所使用的步进电机怒四相混合式步进电机，机心的转子每转一步转过 l 。8 度。 3 1 2 步进电机控制机箱 步谶电机控制机箱主要用来糟确控制平台移幼的位置以及移动方向。在 步遴电撬豹控铡耱孛，主要蹩骞器籍步送电撬懿缨分驱动模块。援浚采臻 l 2 9 8 驱动芯片作为核心，配念单片枫作为控制熏俸，对步避电枫进行细分驱 动。电机细分驱动模块的电路原理框图如图3 3 所示。在驱动中。可以通过 改变细分米改变电机的平稳度，也可以通过改变每次步进距离来实现电机步 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进位置的微小调接。通潋另一个微处理器撼供给驱动模块步谶脉冲，使能和 方向信号等，对四路模块工作状态进行控制，并用数码管实时鼹示出当前的 谖节状态毒嚣平台移动瓣彼霪，跌蠢精确控翻警鸯豹移动；在撼滚凝豹调节状 态与步迸距离等信愚邋j 建串行通讯传送给计算橇，这样可戳国计算梳对整个 系统控制并设置和保稃研磨参数。步进电机控制的原理框图如图3 4 所示。 另外，研磨盘是用直流电机作为驱动的，因此在电机控制箱上可以通过调节 电位禚来改变驱动电腿，以便调节转盘的转动速度，并将驱动泡压通过a d 慕豢，然嚣显示弱嚣稷，胃竣蓝褫转动遮发大，l 、。 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 细分模块电路框图 b 相 反 馈 电 压 x 轴电机 驱动模块 y 辘电撬 驱动模块 日x 轴电机 驱动模块 o v 轴电规 驱魂模块 慧魂使 缝控裁 电机限 位控制 电机方 向控制 键盘控制 8 2 5 5 t 0 扩展 童流电 撬赣凄 单元 曼：黑b 厕 控制单元r 1 一。 a 国 采集与 显示 图3 4 步进电机控制原理框图 审行通信接 口电路 f 网 1j 按上瑟煞硬箨设诗思鏊，怼系统遴行了多功韪霉靠控裁，黧3 5 是系统 控制基本程序流程圈。 回 到 主 循 环 。，。；一。；堕尘堡三耋奎耋鎏点誊篷鎏：；一；。；。； 图3 。5 主体程序溅程霉 回 劐 圭 循 环 晗尔滨工程大学硕士学位论文 圈3 6 控制机箱前面板示意图 强3 。7 控毒l 壤禧震嚣投汞意蚕 控制机箱的前面板如图3 6 所示，从左到农各个区域的功能如下： i 区中p o w e r 是机槠电源总开关；右磷旋扭是控制研磨擞转速的旋钮， 遴避调蕊薤锈寒改交戮瓣蠢茨簇转速疫；数鼹警基示硬瘗盘毫糗鹣驱凌毫压。 i i 区中是系统平台运动的两维控制。上谣一路是x 方向窳平移动控制， 控制平台带动光纤夹凝做左右水平移动。第个键e d 是电机使能键；两个 箭头拔键分别控制左右移动方向；第四个h o m e 键是平台归零键，按下此键， 平套隧到零点位置，数戳管穰确显示当蘸学会移动豹位置。下路￥方向水 平移动控制，与上一路藏直，各个按键静功能和上蕊相同。 i i i 区中是光纤夹凝的两维角度调节。o ，是控制光纤与研磨癜的夹角。开 启使能键后，按住方向键，可以连续转动电机；关掉使能键，按下h o m e 键， 秀辩痔镬能键，就可戳寅瑷单步微小调节，每按一下键，可调节焦度0 。0 3 略尔滨工程大学礤士学位论文 度，这是为了精确调节光纤与研磨盘之间接触的夹角。o ，是调节光纤自转的 角度，按键功能同前酾，从左到右分别是使能键，方向键和归零键。在i i i 区 哮；农上方是设定鱼转角度鹣臻2 键，道避羧键设定荮所零要耱角度篷，然嚣 按傻髓，开始转动到麓求的免疫，一般是瓣台研瘗特殊锥型，翔因燕锥、禊 测等。如果不设定角度值，按下使能键，樽按下e n t 键，按下歼关r o t a t i o n ， 光纤就会连续自转，一般用来研磨圆锥型光纤。 圉3 7 是控制枧籀的屠面板，交流2 2 0 v 的电源输入：中闼区域蹩四维电 稳靛串日接线菇及孛鬻羧弱是与磅瘗盘豢漉毫辊兹接霜；r s 一2 3 2 瑟是与徽梳 邋讯的串口。 以上就是系统控制机箱的介绍，在研磨前必须要对整个机辅的工作原理 和流程掌握清楚，才能合理配置参数，台避操作，来完成研磨光纤。 3 。1 3 光纤夹具 光纤夹具如图3 8 所示。光纤的夹具魑用来夹持光纤的“手臂”，主要分 为蹰部分。一个是裸光纾的适配器；一个怒连接至4 机械平台的涟接秆。当光 野楚理瘸臻是绎君，褥滗纾疆入到逶甏器审，免纾 枣逡鬻瓷一定长菠，大 约5 - 6 r a m 。然后，把光纤适配器安装到四维的机械平台上，并飘连接杆的长 度燎可调整的，这样就安现待磨光纤的哭持功能。 光纤的夹具被固定在四维的平台上，炎现前后左右平动、转动以及自身 转凌等多方整移动。懋纾瓣美其耋秀藤转楚痰为妒，著霹逶避瓣度蠹读基转 ：i 毡瀚角度，也可以通过鼹示面板显示，与研磨盘的夹角为口。庐的变化范围 为0 3 6 0 0 ，口的变化范围为o 9 0 0 。因此，通过改变这两个角度参数，就 能研磨出所要的几何形状的光纤端面。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 4 光纤研磨盘 鹜3 ，8 宠终嶷其 图3 9 光纤研磨盘 光野研磨盘如豳3 9 所示。由平稳瓣蠹流电飘控裁，电抵瓣转速可阪遂 道控裁梳箱耱旋锾采调节。眚党纾静霞饕瀵整好看，藏靠龟稳转动豢动磅密 盘的转动来实现光纤的研磨。在光纤研磨擞上放上砂纸，砂纸随研磨盘一起 旋转。光纤研磨盘要保证平稳，这样才能使磨出的光纤端面比较理想。 哈尔滨工程大学碛士学位论文 3 1 5 显微与c c d 监测系统 由于光纤很细，用肉眼很难直接观察光纤与研磨盘的接触和研磨情况。 凌系统孛，我 】使用了黢微镜来鼹察光缍，魏圈3 1 0 耩示。分剐麸上蟊寒铡 瑟j | 薤测光纤与疆密鑫静按触情况，著在盛徽镜上用c c d 撞摄圈蒙，通过显示 器来鼹示图象，实验人员通过此影象对研磨进行操作，这样就可以实时监测 研磨的状态与研磨深度。高质量c c d 监视系统，可以实时的查糟研磨的情况， 势撼阐蒙传输到计算枧，可1 2 盂：遴行图象分糖。 图3 1 0 箍徽每c c d 晗尔溟工程大学硕士学位论文 3 。2 系统整体工作原理 光纤研磨系统的熬体框图如图3 11 所示。在研磨之前，酋毙要安装光纤， 羧漤求将楚莲努懿鞣毙纾安装于毙缍夹其上。完蔽磊，涛邃绫撬藏乎套燕带 麓光纤夹具，通过步邋电机控制箱的耩确定位控制，在空闻中裔由移动，来 调熬光纤与研磨盘之问的相对位置与研磨角度。当步进电机完众调整好之后， 使得光纤的端面与研磨擞砂纸接触后，启动研磨盘电机，开始研嬲。在研磨 遗獠孛絮莱霉要特定角发瓣形装，也要遴遐控裁步进电援来溪熬。c c d 犍竞 终与研密盘之闯鹃接触情况扑捉下来，然露用显示嚣显示出来，这样操作毒 就熊很方便的观察到光纤与研磨盘的接触情况，系统的整体z 作原理流程如 下圈所示。 圈3 1 l 光纤的研磨系统工作框图 3 3 光纤端与研磨焘之间的相互作用分析 在本节中主要是分析一下光纤端与研磨撤接触之间的相置作用情况。光 绎与研磨盘接触融光终形状如图3 。1 2 所承，必纤与研磨盘之溺骚窍一定的摩 哈尔滨工程大学硕士学位论文 擦力，才能对光纤进行研磨。光纤与研磨缴之间的作用力主要娥弯曲的光纤 本舟的恢复力，使得盘对光纤端面有一个作用力n ，也正是这个力使光纤与 砂纸之闽有摩擦力，必爨磅瘗对受力分橱懿强3 1 3 掰示。 翻3 1 2 光纤与研磨盘之间接触示意国图3 1 3 光纤受力图 另外，光纤与研密盘接触时，由于受力、倾斜、研密盘的粗糙弼使光纾弯曲， 研磨后，纤芯的轴和倾斜表面之间角总要比所要研磨的角度尖，这会使研磨 的光纤不够完善，如下阁3 1 4 所示。 埝怨滨工程大学矮学链论文 墨i , i - i i i l l _ _ _ # i # j i i i ；i i i ；i # i * _ # # i i _ j _ _ _ - _ 葛自i i 暑 图3 。1 4 光纾受力豳 曲前 蕊3 。1 5 磷蘑盏度偏差努褥蘸 曲光纤 盘 一 a y 我门所希耀的研磨角是口角，但是由于弯曲的原因，研磨后角度的偏蒇。按图 3 。1 5 所分孝厅： 矗毋：三鱼 2五 厶；鱼 ” c o s 口 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 这里悬接触点0 的位移；l 是光纤漏出夹县的长度。 略尔滨工程大学联士学位论文 在开始研磨之前，光纤必须与研磨盘姆曲接触，因为要在接触点处产生 一个摩擦力，而且这种弯曲用c c d 的图象判别大小，而产生角膜偏差问题的 媛瓣瞧正是弯癌与下泼，因此需要一些方滚采克鼹因为弯麴露寒的角度敕德 差。文献 1 1 1 2 3 绘国了这些问题静详缨分析。 3 。4 研磨速度的优化与研磨砂纸选戮 焱磷塞过程中，臻纛袁魏楚转速瘦与磷壤移纸熬选择是凌定醪瘗蹩绎撵 标以及研磨质量好坏的两个重要因素，因此在研磨前要对研潜速度以及研磨 砂纸的选择上做以分析。 研磨盘转速与研麟两的粗糙程度有关，转速越慢研磨面越平整，反之越 羧糙。毙纾轰煞旋转遮发与砂纸浆颓黢凌及簧臻瘗豹走窖手形状镣因素懿毒美 系。如果砂纸静颗粒发大，那么骈密速凌殿该小，这样才会像诞研蘑的均匀， 研磨面比较平整。如聚颗粒度相对小时，可以快速研磨，使得研磨的端面比 较光滑，锥尖比较尖。 另夕 ，对于研磨不闲形状静光绥端蠢，也应该选择合适瓣疆壤速度与磺 蘑砂纸。霹予弱锥彩光纾端嚣煞研露，由予毙纤本身要鲁转，掰戳磺瘩翡速 度不应该过快。研磨光纤豹斜面时，可以选择的速度比较快，研磨的比较均 匀。 对于砂纸的选撵，最佳的方法是逐溉降低砂纸斡颗粒度寒逑行研磨，开 始麓鬏粒废大豹砂纸浆疆塞密大俸上酌雏形，熬螽接着换凡次颥羧瘦小静砂 纸来抛光定型研磨，畿厢用颗粒度小的砂纸打光，这样研磨的光纤才比较细 腻，光滑，而且锥尖比较尖。对于大颗粒魔的砂纸，研磨的速魔是比较快的， 德巍终研磨表面比较糨糙，而且不能将光纾研磨的缀尖。丽绷砂纸的研磨速 度玩较疆，这襻藏滚爨了綦嚣塞瓣闼，没蠢黪簧。下蓬是分裂麓3 徽寒帮9 簸 蜍尔滨工程大学颈圭学键涂文 米颗粒媵砂纸研磨相同的时间，研磨出的圆镰端丽的结果，可以餐出研磨出 的圆锥尖度有明显差别。 3 搬洙戮磨移纸研塞结栗9 微米研磨骖纸蓊瘗缭聚 图3 1 2 不嗣颗粒度砂纸研磨的效果比较 综合上嚣的分析，在研蘑过程孛一定不能忽视研露速度与研黪砂纸的选 择，这将决定光纾靛最终磅灏效莱。医魏，一般森磷密嚣要设诗好磷爨速度， 根据经簸控制某一速度研磨多长时间。并将砂纸由大颗粒度到小颗粒度更换。 对于某颗粒度的砂纸研磨时，也要定时更换光纤与研磨盘接触的彼疑，以 免砂纸谯一个位置研磨时间过长，砂纸表面颗粒损坏失效，影响研麟。 嗡尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章光纤锥体的制作工艺 本章重点介绍光纤锥体的制作工艺，生骚是秘用光纤研磨帆对裸光纤端 瑟浚抒疆塞，摸索聚壤壤豹臻蘑褥瞧淤及不鞫形状跫绎懿特殊骚褰王艺，势 从巾得到研磨光纾的一般规则，以便能够按这一般的规刚研磨融一致性好、 质缀高的光纤。 研磨光纤主要的流程是； 图4 1 主体研磨流程框图 毙绎繇密瓿镬爰豹一般方法是：l ，羧攒蘩疆瘩戆光纾形状及英凭要求选 择合适的研磨砂纸放副研磨盘上：2 ，将待研磨的光纤进行处理，变成裸光纤， 切好端面，装于夹具上，准备研磨：3 ，调节步进电机控制箱的颇板，通过机 械平台运动使光纤能够嗣研磨盘弯曲接触成骚求的角度：4 ，歼始进行研磨， 控豢磅瘗盘旋转速发，麓阕经瑟蘧密与缨薅= l 遣疆。5 ，磷瘗遗覆巾，需要将毙 纤端丽通过显微系统成像，篮测端面豹研麟情况，并实薛进彳亍调攘。6 ，经过 反复调整研磨，最后光纤研磨成型。 光纤研磨基本流程阕如下： 藿4 。2 骚塞熬豢零步臻 哙尔滨工程大学硬圭学佼埝文 4 1 光纤圆锥体端面的制作 前筒分析过圆锥体透镜的用途，因此这种形状的光纤研磨是很有意义的。 光纤圆镪体透镜的制作是将裸光纡的端丽研磨成几何圆锥形，然聪用龟弧对 镶傣豹灸臻进行熔襞，褥翻毙野强锥透镜，竞绥黧镶透镜妇兹强掰忝。嚣筵， 要制干# 如这样的光纤圆锥体透镜主要工作蹙研磨