專利名稱：用于光纖或光波導(dǎo)的激光切割方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光切割方法和裝置，特別是(但非僅僅)涉及光纖和光波導(dǎo)應(yīng)用中利用激光的切割方法和裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及的技術(shù)在下文以三部分展示，即關(guān)于(1)機(jī)械分割光纖和光波導(dǎo)的先有技術(shù)，(2)在光纖上產(chǎn)生透鏡形狀的先有技術(shù)，以及(3)用激光切割光纖的先有技術(shù)。
1.機(jī)械分割光纖和光波導(dǎo)典型光纖的結(jié)構(gòu)示于附

圖1中。在光纖通信的許多應(yīng)用中，有必要將光耦合入或耦合出光纖或光波導(dǎo)。有時(shí)，它使用帶插頭的光纖來做到，其中光纖附加了套管，然后磨光以具有光學(xué)質(zhì)量的表面，光纖的一端與套管的一端幾乎齊平。但在其他應(yīng)用中，光纖不帶插頭。在這些情況下，機(jī)械分割光纖是制備光纖端的可行技術(shù)。還有一種情況是在機(jī)械或熔合拼接之前需要制備光纖端。
機(jī)械分割涉及在光纖外周邊形成基準(zhǔn)應(yīng)力產(chǎn)生刻痕(通常使用金剛刀片)，然后從所述刻痕處拉斷光纖。當(dāng)施行正確時(shí)，它將在光纖端的大部分區(qū)域上(包括關(guān)鍵纖心區(qū))留下高質(zhì)量平面。
在許多應(yīng)用中，需要把從光纖或光波導(dǎo)端面返回到光纖或光波導(dǎo)中的光反射減至最小。這可以通過使光纖或光波導(dǎo)端面形成角度(如圖1中所示)、使得向后反射的光偏離纖心來實(shí)現(xiàn)。所述角度越大、反射回光纖或光波導(dǎo)纖心中的光就越少。通常使用6-8度的角度，這接近于在大量生產(chǎn)中能夠以一定的可靠度獲得的角度的極限。
但為著增大光電子設(shè)備中組件密度的考慮，開發(fā)了垂直發(fā)射(垂至于芯片平面，而不是與它平行，參見圖2(a)和(b))的激光源。從這些光源耦合激光到光纖或光波導(dǎo)是向傳統(tǒng)技術(shù)提出的挑戰(zhàn)，但可以利用全內(nèi)反射，如圖2(b)中所示，與光纖或光波導(dǎo)軸以大約45度切割形成端面來達(dá)到。
機(jī)械分割有許多缺點(diǎn)和局限。首先，它在切割光纖的拐角上產(chǎn)生非常鋒利的邊緣。它們易引起處理損壞，特別是若將光纖縱向插入另一組件中。
在某些情況下，這些陡沿在第二道工序中被除去，例如通過將光纖的末端引入火焰中。
其次，機(jī)械切割可以達(dá)到的角度范圍是有局限的。依靠在切割處理中向光纖施壓(通過扭曲光纖或通過施加剪應(yīng)力)的設(shè)備將在切割端上產(chǎn)生角度，但實(shí)際上它局限在小于10度。通過從光纖或光波導(dǎo)的端面反射的裝置、將光從垂直發(fā)射激光耦合到光纖或光波導(dǎo)(見圖2)所需的接近45度的角度不可能達(dá)到。而且，在許多應(yīng)用中，切割角度的可再現(xiàn)性低于所要求的，在大量生產(chǎn)中難于保持±0.5度，而通常需要±0.2度。
第三，因?yàn)闄C(jī)械切割器的工作依賴于精確移動(dòng)部件(包括非常鋒利的刀片)，它們?nèi)菀妆荒p和出現(xiàn)對(duì)齊誤差，需要更多調(diào)整和重新磨光，對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)是不理想的。
第四，機(jī)械切割處理涉及在切割器和光纖之間精確和緊密的接觸，固有地難以自動(dòng)化。這樣的非自動(dòng)化處理需要大量的人力資源來大規(guī)模生產(chǎn)，并且產(chǎn)品取決于操作員的技術(shù)，這導(dǎo)致了產(chǎn)品的易變性。
第五，機(jī)械切割中涉及的硬件尺寸意味著不可能非常靠近其他物體切割。例如，比離套管或接頭約10毫米更近一般就無法進(jìn)行切割。
此外，機(jī)械切割無法產(chǎn)生各帶狀光纖所需的非常嚴(yán)格的光纖至光纖切割長(zhǎng)度容限，其容限需要±2微米或更小。
2.在光纖和波導(dǎo)上產(chǎn)生透鏡形狀數(shù)據(jù)通信量的日益增加對(duì)光纖通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。這些要求包括容量、帶寬及放大器或中繼器之間的距離。
滿足以上目標(biāo)的關(guān)鍵是使整個(gè)系統(tǒng)的效率達(dá)到最大。這種高效率不僅降低消耗的功率和/或允許使用較少的放大器/中繼器，而且較少造成廢熱，從而減少了組件的熱負(fù)荷。這減少了所需的熱管理硬件、允許更緊湊地封裝組件，并允許有源器件工作在較低的溫度下，這對(duì)組件的壽命具有極大的益處。
在帶尾纖的發(fā)射器或泵激激光器中效率低下的一個(gè)重要原因是發(fā)出的激光能量到連接的光纖的耦合。這兒的問題是耦合來自激光二極管的發(fā)散光輸出，所述二極管的有效源大小為幾微米，通常不同的光束在兩個(gè)正交維上發(fā)散，進(jìn)入至光纖或光波導(dǎo)的(通常)圓形對(duì)稱纖心中，對(duì)于單模光纖或光波導(dǎo)，它們的直徑將在3和20微米之間，對(duì)于多模光纖或光波導(dǎo)，可以達(dá)到62微米或更粗。
從光源到光纖或光波導(dǎo)的光傳送通常使用插在兩個(gè)組件之間的微光學(xué)透鏡來實(shí)現(xiàn)，如圖2(c)中所示。這些分立的組件的生產(chǎn)和對(duì)齊、裝配及隨后的永久固定很容易出問題。
為著容易得到及易于對(duì)齊的原因，透鏡通常做成球形和對(duì)稱的，雖然清楚的是，非球形、非對(duì)稱的透鏡將提供更優(yōu)越的性能。
直接在光纖或光波導(dǎo)端上產(chǎn)生透鏡狀由于不需要附加(對(duì)齊)組件而減少了對(duì)齊的困難。生產(chǎn)這種透鏡的多種工藝已經(jīng)說明過，包括蝕刻、選擇性蝕刻(其中選擇性地除去包層，然后蝕刻纖心)、研磨、在熱源(通常是電弧)存在的情況下拉伸光纖以及激光顯微機(jī)械加工。
激光路由在速度、靈活性和可再現(xiàn)性方面具有許多優(yōu)勢(shì)。
借助微型車床方法，利用CO2激光來在光纖上制造透鏡形狀已在許多專利(例如，參見US 4,71 0,605，EP 0 391 598 B，EP 0 558 230B)中說明過。在這些專利中，激光聚焦于一個(gè)點(diǎn)上，然后在旋轉(zhuǎn)光纖端上掃描，提供了一種類似于傳統(tǒng)機(jī)械車床的機(jī)器加工方法。
所述方法會(huì)把相當(dāng)大量的熱引入光纖。這將在表面張力作用的影響的下造成材料重新流動(dòng)。
最終結(jié)果是平滑的細(xì)部、并趨向平滑彎曲和最終接近球形的表面。對(duì)于這些專利所要達(dá)到的目的，當(dāng)產(chǎn)生末梢半徑(假設(shè)球形的情況)超過10微米的相對(duì)平緩彎曲透鏡時(shí)，這在很大程度上是有幫助的現(xiàn)象。但是，利用微型車床工藝生產(chǎn)小于10微米的半徑是成問題的。
而且，實(shí)際上所述工藝比較慢(約每根光纖15秒)，并傾向于“擴(kuò)張”光纖，導(dǎo)致光纖的外徑(OD)局部增加，超出標(biāo)稱的125微米，如圖3(a)中所示。若需要將光纖置于V形槽中(圖3(b))來無源地將光纖與有源器件(如激光源)對(duì)齊，則這是個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)。在這樣的應(yīng)用中，對(duì)齊容限通常是0.3微米級(jí)，因此即使是1微米級(jí)別的擴(kuò)張都具有相當(dāng)有害的后果。
另外，在上述處理中，相當(dāng)大的熱輸入可導(dǎo)致?lián)诫s劑的擴(kuò)散，所述摻雜劑限定纖心，從而限定光纖的有效區(qū)域(見圖4)。纖心擴(kuò)散對(duì)透鏡的光學(xué)性能具有有害影響。
而且，當(dāng)對(duì)偏振保持(PM)光纖(通常它在光纖內(nèi)具有非對(duì)稱分布的不同或摻雜材料插入物，以形成應(yīng)力方向、從而形成PM軸)進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，相當(dāng)大的熱輸入可導(dǎo)致嚴(yán)重問題。所述不同的材料對(duì)于周圍石英一般具有不同的熱學(xué)性能，特別是在不同(通常較低)溫度下它將熔化并重新凝固。若激光形成透鏡的處理產(chǎn)生相當(dāng)?shù)娜刍瘏^(qū)(如微型車床工藝)，則光纖端面不同部分在不同時(shí)候重新凝固的后果可能嚴(yán)重扭曲整體表面形狀。
3.用激光切割光纖使用激光切割光纖也已有人描述過。US 5,421,928(Siecor公司)描述了一種在進(jìn)行拋光之前，使用聚焦激光束來切割從套管伸出的多余光纖的方法，EP 0 987 570 A(Whitaker公司)描述了使用沿光纖平移的聚焦激光束，以漸進(jìn)地切透光纖(一種類似工藝在US 4 932989中公開)。
發(fā)明目的和概要本發(fā)明的主要目的是克服或至少大大減少至少一些前述問題。
本發(fā)明的一個(gè)目的還提供改良的激光切割方法，它在光纖和光波導(dǎo)應(yīng)用操作中具有精確、可靠和可重復(fù)性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供激光加工光纖的簡(jiǎn)單、健壯及成本效益高的路徑，不利用移動(dòng)部件并利用可行的最小激光尺寸。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供改良的激光切割方法，它能夠達(dá)到以下目的中的一個(gè)或多個(gè)減少產(chǎn)生的熔化光纖或光波導(dǎo)材料量、低的相互作用時(shí)間以便相當(dāng)程度上避免熱傳導(dǎo)/擴(kuò)散效應(yīng)、低光纖或光波導(dǎo)端部外翻、敏捷的切割動(dòng)作和在待切割的光纖部分或光波導(dǎo)處高的局部激光強(qiáng)度。
此外，本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供在光纖或光波導(dǎo)上形成透鏡的改良方法，所述方法精確且可靠，能夠以可控方式達(dá)到以下一個(gè)或多個(gè)目的低熱傳導(dǎo)/擴(kuò)散效應(yīng)、光纖或光波導(dǎo)材料中低激光光學(xué)吸收深度、急劇彎曲的透鏡形狀(如具有緊密透鏡末梢半徑)、快速處理光纖或光波導(dǎo)材料、低光纖或光波導(dǎo)端部外翻和低纖心發(fā)散。
廣義方面，本發(fā)明的一個(gè)方面在于利用了預(yù)定激光束強(qiáng)度的銳利切割鋒刃，以提供對(duì)所選光纖或光波導(dǎo)材料的可控?zé)g和汽化，這樣的燒蝕和汽化使得能夠?qū)崿F(xiàn)滿足前述目的的切割動(dòng)作。
因此，按本發(fā)明的第一方面提供一種利用固定激光束切割光纖或光波導(dǎo)的一部分的方法，所述方法包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束，它在一個(gè)方向上超過光纖或光波導(dǎo)的寬度；將所述激光束分布與光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)齊，以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的所述激光束量沖擊要切割的所述部分；以及依靠所述激光束對(duì)所述部分產(chǎn)生的沖擊來切割所述部分，以便形成大體平坦的、提高質(zhì)量的光纖或光波導(dǎo)表面。
按本發(fā)明的第二方面，提供一種利用固定激光束在光纖或光波導(dǎo)的端部形成透鏡的方法，所述方法包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束；將所述激光束分布與光纖或光波導(dǎo)的端部對(duì)齊，以允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的所述激光束量沖擊所述端部；以及依靠所述激光束對(duì)所述端部產(chǎn)生的沖擊來切割所述端部，以便在所述端部形成提高光學(xué)質(zhì)量的透鏡。
本發(fā)明還包括適合于并配置成執(zhí)行前述方法的設(shè)備，所述設(shè)備包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束的裝置；將所述激光束分布與光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)齊、以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的所述激光束量沖擊要切割的所述部分的裝置；以及依靠所述激光束對(duì)所述部分產(chǎn)生的沖擊來切割所述部分、以便形成提高質(zhì)量的光纖或光波導(dǎo)表面、例如在所述部分產(chǎn)生大體平坦的光纖表面或提高質(zhì)量的透鏡的裝置。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明在于利用不同于聚焦激光束的裝置，來提供具有預(yù)定激光束強(qiáng)度分布的所需鋒利切割鋒刃，使得能夠?qū)崿F(xiàn)滿足前述目的的那種類型的切割動(dòng)作。
更具體地說，按本發(fā)明的這一方面提供一種利用激光束切割光纖或光波導(dǎo)的一部分的方法，所述方法包括利用聚焦以外的方法產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束；將所述激光束分布與光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)齊，以允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的所述激光束量沖擊所述要切割部分；以及依靠所述激光束對(duì)所述部分產(chǎn)生的沖擊來切割所述部分。
本發(fā)明的這一方面還包括適合于并配置成執(zhí)行前述方法的設(shè)備，所述設(shè)備包括利用聚焦以外的方法產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束的裝置；將所述激光束分布與光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)齊、以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的所述激光束量沖擊所述要切割部分的裝置；以及依靠所述激光束對(duì)所述部分產(chǎn)生的沖擊來切割所述部分的裝置。
通過利用不同于聚焦激光束的手段，可以方便地產(chǎn)生非常適用于切割處理的高強(qiáng)度激光切割束分布。在這方面，可以通過光干涉、造像或衍射或這些技術(shù)的組合來形成所需的激光束分布。
關(guān)注了前面敘述之后，可以理解本發(fā)明前述各方面的方法和裝置比所知的切割方法和裝置具有肯定的優(yōu)勢(shì)；例如，本發(fā)明的方法和裝置解決了機(jī)械切割路徑的局限性。
首先并更特別地，本發(fā)明的激光切割產(chǎn)生的光纖或光波導(dǎo)的角是圓形的，因此更加健壯。
其次，切割的角度受控于光纖或光波導(dǎo)與切割激光束之間簡(jiǎn)單的幾何考慮，因此可以達(dá)到大角度(肯定大于45度)。此外，切割角度的再現(xiàn)性反映了所述幾何再現(xiàn)性，可以很容易地好于機(jī)械切割器得到的±0.5度的再現(xiàn)性，并且確實(shí)好于在某些應(yīng)用中規(guī)定的±0.2度的再現(xiàn)性。
第三，因?yàn)榧す饴窂绞欠墙佑|處理，沒有刀刃或機(jī)械壓力移動(dòng)部件帶來的磨損或不對(duì)齊。
第四，因?yàn)槭欠墙佑|，本發(fā)明的激光切割操作固有地適用于自動(dòng)裝上和卸下光纖或光波導(dǎo)。
第五，因?yàn)榍懈钣杉す馐旧磉M(jìn)行，硬件遠(yuǎn)離切割點(diǎn)，切口可以位于非?？拷渌M件的地方，肯定小于1毫米。
第六，存在精確的步進(jìn)方法，通過它、切割激光束可以在光纖帶中逐個(gè)光纖地步進(jìn)，使光纖到光纖的切割長(zhǎng)度變化小于1微米。
另外，本發(fā)明的激光切割結(jié)合了幾種技術(shù)，它們用來減少傳統(tǒng)激光微型車床工藝方法的不良熱效果。這些技術(shù)包括(如前所提)使產(chǎn)生的熔化材料量減至最少；使總體相互作用時(shí)間保持盡可能短，以防止熱傳導(dǎo)/擴(kuò)散及光纖或光波導(dǎo)端部外翻；使激光輻射在材料中的光吸收深度最?。皇褂眉す馐钿h利的可行“切割鋒刃”；以及利用相長(zhǎng)干涉來提高局部激光強(qiáng)度，從而允許較短的相互作用時(shí)間。
最好使所有相互作用階段期間產(chǎn)生的熔化材料的數(shù)量保持最小化，把所述熔化量回流帶來的不良后果減至最小。它還把光纖或光波導(dǎo)摻雜劑從纖心區(qū)到包層的遷移的機(jī)會(huì)減至最小(參見圖4)。還應(yīng)當(dāng)指出，使激光相互作用時(shí)間保持最小化可減少從光纖或光波導(dǎo)的激光直接加熱區(qū)到其他部分的熱傳導(dǎo)，從而減少了總體熱影響。
此外，本發(fā)明的透鏡形成方法結(jié)合了幾種技術(shù)，它們用來減少傳統(tǒng)的激光微型車床工藝方法中固有的不良熱影響，允許(如前面所述)實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的末梢半徑、更快的處理、把光纖端部外翻和纖心擴(kuò)散減至最小、并提供了處理偏振保持(PM)光纖的能力。此外，它不需要將激光束移入和通過光纖，例如在EP 0 391 598 B1中所說明的。
本發(fā)明上述和其他特征在隨附的權(quán)利要求書中詳細(xì)闡明，并將在下文參照附圖中所示的示范性實(shí)施例加以說明。
圖3(a)顯示用傳統(tǒng)激光加工處理而產(chǎn)生的增大外部直徑(端部外翻)的光纖，圖3(b)顯示在V形槽中使圖3(a)的光纖與發(fā)射源(例如激光器)對(duì)齊的問題；圖4顯示圖3的光纖，因傳統(tǒng)的激光切割光纖而導(dǎo)致有不希望有的數(shù)量的光纖摻雜劑從纖心區(qū)發(fā)散到包層；
圖5示意地顯示在已經(jīng)考慮到具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光和要切割的光纖區(qū)域之間的相對(duì)對(duì)齊的情況下，按本發(fā)明一個(gè)方面的切割行為如何受影響；圖6顯示傳統(tǒng)的激光切割幾何圖形，其中在移動(dòng)工件中進(jìn)行激光切割，以產(chǎn)生槽/切口；圖7(a)示意地顯示用于產(chǎn)生線聚焦激光束的傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)，光束聚焦在正交軸的兩個(gè)不同的軸位置，圖7(b)示意地顯示本發(fā)明在一條軸位置產(chǎn)生高強(qiáng)度非對(duì)稱線聚焦光束的典型的光學(xué)系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)。
圖8顯示本發(fā)明中使用的兩種類型的預(yù)定激光強(qiáng)度分布，即(a)高斯強(qiáng)度分布和(b)亞里型強(qiáng)度分布；圖9顯示本發(fā)明實(shí)踐中使用的兩種類型的掩模幾何圖形，即(a)長(zhǎng)方形掩模和(b)刀刃掩模；圖10(a)和(b)示意地顯示如何借助激光束的反射和非反射部分之間的相長(zhǎng)干涉來提高要切割光纖部分的局部激光束強(qiáng)度；圖11(a)和(b)示意地顯示按本發(fā)明如何可以借助多次依次進(jìn)行的切割步驟來進(jìn)行切割操作，以減少要切割光纖上的熱負(fù)荷；圖12示意地顯示(a)本發(fā)明中使用的長(zhǎng)方形掩模幾何圖形，以及(b)如何利用(a)的掩模幾何圖形、通過光學(xué)縮小來提高光纖上的激光束強(qiáng)度；圖13示意地顯示本發(fā)明實(shí)踐中所使用的彎曲掩模幾何，用來在光纖端部產(chǎn)生光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)；以及圖14示意地顯示本發(fā)明實(shí)踐中所使用的光干涉幾何，用來產(chǎn)生高的局部激光束強(qiáng)度。
實(shí)施例詳細(xì)說明圖5示意地說明如何在光纖或光波導(dǎo)的一部分進(jìn)行本發(fā)明方法的切割作業(yè)，以便形成提高質(zhì)量的光纖或光波導(dǎo)表面。更具體地說，如圖所示，切割作業(yè)的通過以下方法完成以預(yù)定的激光強(qiáng)度分布1(例如以高斯強(qiáng)度分布1的形式)的量1′沖擊與其對(duì)齊的光纖或光波導(dǎo)材料3的部分2(或切割)，并燒蝕或汽化光纖或光波導(dǎo)部分2。與光纖部分2相鄰的光纖區(qū)域4取決于沖擊而進(jìn)一步受到相當(dāng)級(jí)別的加熱，區(qū)域4被加熱到低于光纖或光波導(dǎo)材料汽化點(diǎn)的適當(dāng)?shù)募?jí)別。
有利的是，本發(fā)明的激光切割過程不涉及傳統(tǒng)切割技術(shù)所要求的在光纖周邊產(chǎn)生刻痕，然后機(jī)械地折斷光纖。還應(yīng)當(dāng)指出，在本發(fā)明的方法中，為減少/最小化汽化區(qū)2附近的熔化光纖或光波導(dǎo)區(qū)4的量，激光束在光纖或光波導(dǎo)材料3的一薄層內(nèi)被吸收，并且激光束剖面1被設(shè)置成具有盡可能鋒利的切割“鋒刃”。
在本發(fā)明方法的運(yùn)作中，最好使用CO2激光器(未顯示)來產(chǎn)生激光束，并且最好將CO2激光器的波長(zhǎng)從更通常的10.6微米改為9.4-9.8微米，以允許增加幾乎一個(gè)數(shù)量級(jí)的光纖或光波導(dǎo)石英中的光吸收，導(dǎo)致相應(yīng)地減小光吸收深度。
接著轉(zhuǎn)向圖6，圖中為便于比較而顯示一種傳統(tǒng)激光切割布置，其中通過利用激光聚焦來在工件10上進(jìn)行切割，以便在工件10中形成激光“切口”，然后移動(dòng)激光焦點(diǎn)或工件來使所述切口平移，形成窄槽或切縫11(如圖6中所示)。這類似于木工活中使用線鋸。但本方法可導(dǎo)致相當(dāng)大的熱輸入。本發(fā)明在原理上不同于所述模式的操作，它使用非對(duì)稱激光束來進(jìn)行切割。這更加接近地類似于木工活比喻中使用鑿子，最好導(dǎo)致更加快速的處理，以便顯著地地減少熱沖擊。
產(chǎn)生非對(duì)稱激光束的最通常路徑是在光鏈中集成單個(gè)柱狀單元15，通常結(jié)合傳統(tǒng)的圓形對(duì)稱(球形或非球形)光學(xué)單元16。這確實(shí)產(chǎn)生了線聚焦，但光束聚焦于正交軸的不同軸向位置17、18(如圖7(a)所示)，導(dǎo)致焦點(diǎn)強(qiáng)度不能盡可能地高。為達(dá)到更高的強(qiáng)度，可以使用圓柱形望遠(yuǎn)鏡，以便僅在一維上擴(kuò)張或收縮激光束。如圖7(b)的實(shí)施例中所示，圓柱形望遠(yuǎn)鏡20結(jié)合對(duì)稱(球形或非球形)聚焦光學(xué)單元22，因而作為結(jié)果得到的不同數(shù)值孔徑在兩條軸上產(chǎn)生單一高強(qiáng)度線聚焦25，非常適合激光切割。并且，因此布置的兩條正交軸上的焦點(diǎn)保持在沿傳播軸的相同位置，聚焦線上的強(qiáng)度最大化了。這產(chǎn)生了最高光學(xué)強(qiáng)度，通過自由空間高斯光束傳播，允許最鋒利的光束“鋒刃”，并允許使用可能的最短相互作用時(shí)間，這減少了熱傳導(dǎo)、熔化深度，從而減少了端部外翻程度和纖心擴(kuò)散。
應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的激光切割通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，利用預(yù)定入射的激光功率密度分布鋒刃來進(jìn)行(另見圖5)。通過利用掩模來透過光束，削尖此鋒刃超出高斯光學(xué)一般強(qiáng)加的限度是可能的。這導(dǎo)致了具有更尖鋒刃的亞里型功率密度分布28(盡管帶有附加衍射結(jié)構(gòu)28′)，如圖8中以一維的方式所表示的。在圖8中為了比較還顯示了高斯功率密度分布27。此外，基本上1維幾何的激光切割意味著具有兩個(gè)正交尺寸的不同特性的掩模最適合。使用長(zhǎng)方形掩模30較好，如圖9中所示。另一種可能性，給予有點(diǎn)修改的聚焦分布是使用單側(cè)掩模，例如刀刃31，所述掩模也顯示于圖9中。
為進(jìn)一步使要切割的光纖或光波導(dǎo)處的局部強(qiáng)度達(dá)到最大，可以讓激光束傳播方向改變，使得部分切割的光纖或光波導(dǎo)反射激光束，使被反射的光束與光束的非反射部分相長(zhǎng)干涉。所述效果在圖10(a)和10(b)中描述。這樣，局部幅度就可加倍(假設(shè)完全反射)，導(dǎo)致四倍增加局部強(qiáng)度。這要求激光束的偏振與切割表面平行(而非垂直)，并且入射角(從表面的法向頂部測(cè)量)小于臨界角，其中光束反射產(chǎn)生π(180°)相移。
通過允許全部(但不是激光束的切割鋒刃)激光束通過使用中的光纖或光波導(dǎo)，可以很好地減少光纖或光波導(dǎo)上的熱負(fù)荷。這可依照前面提及的圖10(a)和10(b)的幾何，進(jìn)行激光切割來實(shí)現(xiàn)，這不同于圖11(b)(頂視示意圖)中所示的另外方法，其中顯示的激光束傳播被導(dǎo)入紙張平面。通過利用圖11(a)和11(b)(底視示意圖)的幾何，仍然可以進(jìn)一步很好地減少光纖或光波導(dǎo)上的熱負(fù)荷。如這些圖中所示，在要處理的光纖或光波導(dǎo)部分37、37′上按正常描述的方法進(jìn)行初步激光切割35、35′(第一次切割)，之后進(jìn)行一次或多次后續(xù)激光切割36、36′，在后續(xù)切割之間，沿光纖或光波導(dǎo)的縱軸在光纖或光波導(dǎo)和激光束之間有稍微的相對(duì)移動(dòng)(未顯示)。
有利的是，本發(fā)明的激光切割過程很好地提供具有最鋒利的切割鋒刃的高強(qiáng)度光束，使纖心擴(kuò)散和光纖端部外翻的程度最小，并在光纖上產(chǎn)生最準(zhǔn)確的切割端。應(yīng)當(dāng)指出，鑒于使用簡(jiǎn)單聚焦，高斯強(qiáng)度分布是要達(dá)到的最有可能的分布，本發(fā)明中使用的強(qiáng)度分布可以很好地通過不同于聚焦的裝置來生成，例如通過成像、光干涉或衍射，或通過這些技術(shù)的組合。此外，還應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的激光切割通過適當(dāng)?shù)难b置，利用生成的激光功率密度分布切割鋒刃來進(jìn)行。
接著轉(zhuǎn)至圖12，本發(fā)明實(shí)踐中使用的很好的激光強(qiáng)度分布可以通過使用透鏡41，通過成像圖像平面中的長(zhǎng)方形掩模40來產(chǎn)生。如圖所示，所述布置提供了激光束的光學(xué)縮小，以提高要切割光纖上激光束的局部密度。本發(fā)明的這一方面因而在原理上不同于傳統(tǒng)操作模式，它使用具有鋒利的切割鋒刃的激光束來進(jìn)行切割，所述激光束通過不同于聚焦的方法來生成。這更加接近地類似于木工活比喻中使用鑿子，它很好地導(dǎo)致更加快速的處理，導(dǎo)致顯著地減少熱沖擊。
圖13顯示本發(fā)明中使用的不同于圖12的掩模幾何圖。更具體地，如圖所示，使用具有彎曲形狀切口42的掩模幾何來提供電平變化的光傳輸，例如允許特定光學(xué)結(jié)構(gòu)(如透鏡)形成于光纖端。應(yīng)當(dāng)指出，成像(加工)平面中的強(qiáng)度分布由激光照射對(duì)象(掩模)的方式改變，它不必是均勻的。
圖14顯示本發(fā)明的另一種光學(xué)配置，其中使用了光干涉來產(chǎn)生所需的高局部強(qiáng)度。如圖中所示，使用了類似于傳統(tǒng)光學(xué)中稱為勞氏鏡的光干涉布置50。它使用點(diǎn)/狹縫光源51，并產(chǎn)生許多平行條紋52。為了本發(fā)明的目的，它可以用來產(chǎn)生所需的高局部強(qiáng)度。只要正確控制激光束(和/或有效源大小)的發(fā)散，大多數(shù)光子都可以很好地集中到第一條紋，只有少量能量浪費(fèi)在較高端條紋中。結(jié)果的強(qiáng)度模式是高度集中的，產(chǎn)生所需的高強(qiáng)度。
在傳統(tǒng)光學(xué)中已知有其他波前分光干涉儀(未顯示)，它們產(chǎn)生類似于勞氏鏡布置的條紋模式，并且它們同樣地適用于按本發(fā)明的光纖切割。它們包括Fresnel的雙鏡配置、Young的狹縫配置和Fresnel的雙棱鏡配置。
在本發(fā)明的其他光學(xué)配置(未顯示)中，使用了相移光束的相長(zhǎng)干涉來產(chǎn)生所需的局部高強(qiáng)度。所述現(xiàn)象在傳統(tǒng)光學(xué)中為人所知，但未應(yīng)用在激光加工中?？梢栽O(shè)想使用相位掩模、波帶片和/或階梯光柵來衍射切割光束，以便按本發(fā)明影響光纖切割。
理解了前面的討論后，本發(fā)明所提的激光切割作業(yè)可以在各種光纖或光波導(dǎo)應(yīng)用中派上用場(chǎng)。在這方面，它允許以受控方式切割光纖或光波導(dǎo)的一個(gè)選定區(qū)，允許在光纖或光波導(dǎo)中形成各種切割角度(＝至大于45度)，并且如上所述，可以將它成功應(yīng)用于光纖或光波導(dǎo)以形成，例如(1)增強(qiáng)光學(xué)質(zhì)量的大體平坦的光纖或光波導(dǎo)表面，或(2)在所述區(qū)處的增進(jìn)光學(xué)質(zhì)量的透鏡。在切割作業(yè)中，激光束相對(duì)于光纖或光波導(dǎo)保持在固定位置。
參照特定實(shí)施例說明了本發(fā)明后，應(yīng)該充分理解，這些實(shí)施例僅是示范性的，本專業(yè)的技術(shù)人員將能在不脫離所附權(quán)利要求書中所提供的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行修改和變化。例如，雖然本發(fā)明的所述實(shí)施例利用高斯或亞里型(非高斯)激光強(qiáng)度分布，但也可以使用具有鋒利的切割鋒刃、不同類型的非高斯激光強(qiáng)度分布來獲得相同或相似技術(shù)效果。另外，激光源無需是所述實(shí)施例中的CO2激光器，而也可為UV準(zhǔn)分子激光器。本發(fā)明還可應(yīng)用于不同的光纖或光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中需要鋒利的切割作業(yè)。還應(yīng)當(dāng)指出，可以使用具有不同形式和形狀的不同類型掩模來產(chǎn)生非常廣泛的激光強(qiáng)度分布?？梢允褂镁哂懈鞣N傳輸級(jí)別的不同掩模來產(chǎn)生相同或相似的技術(shù)效果。
權(quán)利要求
1.一種利用激光束切割光纖或光波導(dǎo)的一部分的方法，所述方法包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束，所述激光束的一個(gè)尺寸大于所述光纖或光波導(dǎo)的寬度；將所述光束分布與所述光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)準(zhǔn)，以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的一定量的所述光束沖擊要切割的所述部分；以及依靠所述光束在所述部分上的沖擊切割所述部分，以便形成提高質(zhì)量的大體上平坦的光纖或光波導(dǎo)表面。
2.一種利用固定激光束在光纖或光波導(dǎo)的端部形成透鏡的方法，所述方法包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束；將所述光束分布與所述光纖或光波導(dǎo)的端部對(duì)準(zhǔn)，以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的一定量的所述光束沖擊所述端部；以及依靠所述光束在所述端部上的沖擊切割所述端部，以便在所述端部形成提高光學(xué)質(zhì)量的透鏡。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于通過燒蝕或汽化所述光纖或光波導(dǎo)的所述部分并且加熱相鄰的各部分來實(shí)現(xiàn)所述切割。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述產(chǎn)生的光束分布包括非對(duì)稱光束。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于利用圓柱形望遠(yuǎn)鏡裝置來形成所述非對(duì)稱光束。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述預(yù)定強(qiáng)度分布是高斯強(qiáng)度分布。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述預(yù)定強(qiáng)度分布是亞里型強(qiáng)度分布。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述光束在所述部分上的沖擊以允許在所述光束的反射和非反射部分之間有相長(zhǎng)干涉的方式進(jìn)行。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)中所述的方法，其特征在于還包括進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，所述移動(dòng)在第一次切割作業(yè)之后在所述部分和所述光束之間進(jìn)行，之后進(jìn)行第二次切割。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述相對(duì)移動(dòng)包括沿所述光纖或光波導(dǎo)的縱軸的小的預(yù)定的移動(dòng)。
11.如權(quán)利要求9或10中所述的方法，進(jìn)而包括第三次或更多次切割所述部分。
12.一種適合于并配置成執(zhí)行如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束的裝置；將所述光束分布與所述光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)準(zhǔn)、以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的一定量的所述光束沖擊要切割的所述部分的裝置；以及依靠所述光束在所述部分上的沖擊來切割所述部分、以便形成提高質(zhì)量的光纖或光波導(dǎo)表面、例如大體上平坦的光學(xué)表面或在所述部分處提高了質(zhì)量的透鏡的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于產(chǎn)生激光束的所述裝置是CO2激光器，所述CO2激光器可以以9.4微米和10.6微米之間的波長(zhǎng)范圍、最好是9.4微米和9.8微米之間的波長(zhǎng)范圍工作。
15.如權(quán)利要求13或14所述的裝置，其特征在于所述切割裝置配置成在所述激光束和橫過所述激光束的所述光纖或光波導(dǎo)之間沒有相對(duì)移動(dòng)的情況下進(jìn)行所述切割。
16.一種利用激光束切割光纖或光波導(dǎo)的一部分的方法，所述方法和括利用不同于聚焦的方式，產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束；將所述光束分布與所述光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)準(zhǔn)，以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的一定量的所述光束沖擊所述要切割的部分；以及依靠所述光束在所述部分上的沖擊，切割所述部分。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于通過以預(yù)定的電平燒蝕或汽化所述光纖或光波導(dǎo)的所述部分并加熱所述光纖或光波導(dǎo)的各相鄰部分來進(jìn)行所述切割。
18.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于通過成像來形成所述產(chǎn)生的光束分布。
19.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于通過干涉來形成所述產(chǎn)生的光束分布。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于利用以下方法來形成所述產(chǎn)生的光束分布利用光干涉勞氏鏡幾何、或利用光干涉Fresnel雙鏡幾何、或利用光干涉Fresnel雙棱鏡幾何、或利用Young狹縫幾何。
21.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于通過衍射來形成所述產(chǎn)生的光束分布。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于利用掩模裝置來形成所述產(chǎn)生的光束分布。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述掩模裝置包括相位掩?；虿◣?。
24.如權(quán)利要求21至23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于利用中階梯光柵來形成所述產(chǎn)生的光束分布。
25.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其特征在于通過光學(xué)干涉和/或成像和/或衍射來形成所述產(chǎn)生的光束分布。
26.，一種適合于并配置成實(shí)行如權(quán)利要求16至25中任一項(xiàng)所述的方法的裝置。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于包括用于通過不同于聚焦的方法、產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束的裝置；用于將所述光束分布與所述光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)準(zhǔn)、以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的一定量的所述光束沖擊所述要切割的部分的裝置；以及依靠所述光束在所述部分上的所述沖擊來切割所述部分的裝置。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于用于產(chǎn)生激光束的所述裝置是CO2激光器。
29.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于在所述激光束沒有橫過所述光纖或光波導(dǎo)平移的情況下進(jìn)行所述光纖或光波導(dǎo)的切割。
30.一種利用激光束切割光纖或光波導(dǎo)的一部分的方法，所述方法包括產(chǎn)生具有預(yù)定強(qiáng)度分布的激光束；將所述光束分布與所述光纖或光波導(dǎo)的一部分對(duì)準(zhǔn)、以便允許超過預(yù)定強(qiáng)度電平的一定量的所述光束沖擊所述要切割的部分；以及依靠所述光束在所述部分上的沖擊切割所述部分，以便形成大體上平坦的光纖或光波導(dǎo)表面。
全文摘要
提供一種切割方法及裝置，用以利用激光束切割光纖或光波導(dǎo)的一部分。所述切割操作利用所產(chǎn)生的具有預(yù)定非對(duì)稱強(qiáng)度分布的激光束的鋒利的切割鋒刃。工作時(shí)，使一定量的光束分布沖擊光纖或光波導(dǎo)部分，使所述部分被燒蝕或汽化、從而依靠所述沖擊實(shí)現(xiàn)所述部分的切割。切割期間不進(jìn)行所述激光束橫過所述光纖或光波導(dǎo)的平移。所述切割作業(yè)比傳統(tǒng)切割技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)，在許多光纖或光波導(dǎo)應(yīng)用中都得到了利用。例如，所述切割作業(yè)可以產(chǎn)生大體上平坦的光纖或光波導(dǎo)表面，或在光纖或光波導(dǎo)的端部形成提高質(zhì)量的透鏡。
文檔編號(hào)G02B6/00GK1482955SQ01821240
公開日2004年3月17日 申請(qǐng)日期2001年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月25日
發(fā)明者M·R·奧斯博尼, M R 奧斯博尼 申請(qǐng)人:奧普特克有限公司