智能熔接机的多功能CO2激光熔接/锥化应用

Erik Bottcher, CEO, NYFORS（瑞典）...

Erik Bottcher, CEO, NYFORS（瑞典）                            

我是来自瑞典NYFORS公司，我们专业于做光纤加工设备，跨越几乎所有光谱范围，包括分切、再涂层、检测、锥化等。我的演讲是关于CO2激光熔接与光纤玻璃加工，也就是把光纤拼接在一起，锥化光纤，光纤端帽熔接。或者当你希望塑造玻璃丝的时候，任何一种类型的应用加工我们都可以做。

我讲一下为什么CO2激光熔接是一种比传统方式更好的方法。首先我会展示一些结果来说明这个技术的优点。

对于玻璃丝加工，需要观察很多因素。最终的产品，光束需要在无影响情况下通过光学器件，并且光束机械性很强。CO2激光是很好的，因为玻璃非常高效地吸收光束。在下面的图表中，你可以看到CO2激光的波长在10μm，也就是右边所示。因此它拥有很高的吸收率。所有光束投射到工件表面区域上并被吸收，局部很高温，那么其它部分的光纤会相对冷，这是很重要的，因为你不希望影响到器件的其它部分。因为它温度很高，当你熔接的时候你同时也得到很高的机械强度。



弧形熔接与细丝熔接是另外主要的光纤熔接的方法，与它相比，CO2激光熔接可以实现局部高温加工，另外还不会产生工件污染。第三个优点是没有额外的耗材，比如加工气体、电极、细丝等。这意味着这种加工方式要求很少的维护。

那么CO2激光熔接是如何实现？

你可以看到图中显示的低入射角、高吸收率与高温度，这几个特性正是我们所需要的。当我们进行所需加工时，我们可以从锥化开始，也就是从两侧发射光束。当它沿着光纤移动时，光束的角度会有轻微的调整，但它仍然停止的较好的部位。然而，如果我们要加热一个光纤端帽，一根光纤从顶端经过，这种结构是很麻烦的。这就需要光束从端帽顶上进入。因此我们想出了一个方法，制作一个光学系统能够实现这两个任务。

至今为止我所谈到的激光器，对于光纤加工来说不是最佳的一款。我们需要的是能够精准加热那个需要被熔接的位置，比如锥化过程，那么就要从侧面加热整条光纤，最完美的激光形态就是圆形。

这是两种光束整形结构，左边的是用于锥化，你可以看到入射到光纤的角度非常好。但如果我们要做端帽，我们要改变圆形光束的入射角。这样我们就可以取得最佳的端帽加热。

下面来看一下这个系统能做什么。

熔接工艺：

光纤到光纤熔接（最大直径为2.5mm）

光纤到端帽熔接（机械强度高）

保偏光纤与光子晶体光纤熔接（空气包层结构最小坍塌）


 

锥化

1. 用户自定形状的长锥形

2. 通过激光环完美均匀地加热纤维

3. 如果设备是垂直结构中操作，则不受引力下垂影响

4. 直径偏差约1-2％

接下来为大家介绍一个已经在使用的技术，我们的合作伙伴Fraunhofer IOF已经在实验室使用我们的熔接系统多年了，他们为GRACE Interferometer（搭载激光干涉仪精密测距技术的重力场恢复与气候实验卫星）研发了一款插头，GRACE Interferometer是两颗同样规格的卫星，确认地球的重力以及水的流动，这个将会在2017年发射升空。要实现这个应用，需要几乎完美的高斯光束，这样在太空中才能长距离互相发射激光。这两颗卫星在太空中保持约200公里距离，需要质量很高的光束来观察干涉图形。

要求：

M2 ≤1.1

波前误差(P-V) ≤λ/15@1052nm

光束Ø ≥5nm

偏转≤1%

角度公差≤0.225mrad

这项技术需要把熊猫光纤与非球面镜熔接在一起。

我们使用的非球面镜44纳米的，几乎是完美的，熔接前的波前误差约44纳米。在熔接之后，仅仅变成了54纳米，可以说几乎没有出现误差，是相对完美的技术结果。



下面是GRACE干涉仪要求以及其结果：

M2 ≤ 1.04 .. 1.2

波前误差 (P-V) 53nm .. 60 nm

光束 Ø 5.1 mm.. 5.4 mm

偏转 ≤ 0,9% .. 3,2 %

角度公差 ≤ 0,229 mrad

总结

以上介绍的就是我们与FraunhoferIOF共同研发的智能光纤熔接机。最后我给大家总结一下今天讲的三大主要信息：1）CO2激光是用于制造光子器件的多功能工具，我仅谈到锥化、端帽熔接应用，但你可以应用到其它领域。2）用于激光熔接和锥化（还能用于玻璃加工的其他工艺）3）经过验证的技术与各种应用的杰出结果。

（来源：激光制造商情）

文字整理：Johnny

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