智能熔接機的多功能CO2激光熔接/錐化應用

Erik Bottcher, CEO, NYFORS（瑞典）

我是來自瑞典NYFORS公司，我們專業於做光纖加工設備，跨越幾乎所有光譜範圍，包括分切、再塗層、檢測、錐化等。我的演講是關於CO2激光熔接與光纖玻璃加工，也就是把光纖拼接在一起，錐化光纖，光纖端帽熔接。或者當你希望塑造玻璃絲的時候，任何一種類型的應用加工我們都可以做。

我講一下為什麼CO2激光熔接是一種比傳統方式更好的方法。首先我會展示一些結果來說明這個技術的優點。

對於玻璃絲加工，需要觀察很多因素。最終的產品，光束需要在無影響情況下通過光學器件，並且光束機械性很強。CO2激光是很好的，因為玻璃非常高效地吸收光束。在下面的圖表中，你可以看到CO2激光的波長在10μm，也就是右邊所示。因此它擁有很高的吸收率。所有光束投射到工件表面區域上並被吸收，局部很高溫，那麼其它部分的光纖會相對冷，這是很重要的，因為你不希望影響到器件的其它部分。因為它溫度很高，當你熔接的時候你同時也得到很高的機械強度。

弧形熔接與細絲熔接是另外主要的光纖熔接的方法，與它相比，CO2激光熔接可以實現局部高溫加工，另外還不會產生工件污染。第三個優點是沒有額外的耗材，比如加工氣體、電極、細絲等。這意味著這種加工方式要求很少的維護。

那麼CO2激光熔接是如何實現？

你可以看到圖中顯示的低入射角、高吸收率與高溫度，這幾個特性正是我們所需要的。當我們進行所需加工時，我們可以從錐化開始，也就是從兩側發射光束。當它沿著光纖移動時，光束的角度會有輕微的調整，但它仍然停止的較好的部位。

CO2光束的吸收性

錐化示意圖(左)，端帽示意圖(右)

然而，如果我們要加熱一個光纖端帽，一根光纖從頂端經過，這種結構是很麻煩的。這就需要光束從端帽頂上進入。因此我們想出了一個方法，製作一個光學系統能夠實現這兩個任務。

至今為止我所談到的激光器，對於光纖加工來說不是最佳的一款。我們需要的是能夠精準加熱那個需要被熔接的位置，比如錐化過程，那麼就要從側面加熱整條光纖，最完美的激光形態就是圓形。

光束整形光學

這是兩種光束整形結構，左邊的是用於錐化，你可以看到入射到光纖的角度非常好。但如果我們要做端帽，我們要改變圓形光束的入射角。這樣我們就可以取得最佳的端帽加熱。

下面來看一下這個系統能做什麼。

熔接工藝：

光纖到光纖熔接（最大直徑為2.5mm）

光纖到端帽熔接（機械強度高）

保偏光纖與光子晶體光纖熔接（空氣包層結構最小坍塌）

錐化

1.用戶自定形狀的長錐形

2.通過激光環完美均勻地加熱纖維

3.如果設備是垂直結構中操作，則不受引力下垂影響

4.直徑偏差約1-2％

在GRACE干涉儀的應用

接下來為大家介紹一個已經在使用的技術，我們的合作夥伴Fraunhofer IOF已經在實驗室使用我們的熔接系統多年了，他們為GRACE Interferometer（搭載激光干涉儀精密測距技術的重力場恢復與氣候實驗衛星）研發了一款插頭，GRACE Interferometer是兩顆同樣規格的衛星，確認地球的重力以及水的流動，這個將會在2017年發射升空。

要實現這個應用，需要幾乎完美的高斯光束，這樣在太空中才能長距離互相發射激光。這兩顆衛星在太空中保持約200公里距離，需要質量很高的光束來觀察干涉圖形。

要求：

M2≤1.1

波前誤差(P-V)≤λ/15@1052nm

光束?≥5nm

偏轉≤1%

角度公差≤0.225mrad

熊貓光纖的截面

這項技術需要把熊貓光纖與非球面鏡熔接在一起。

我們使用的非球面鏡44納米的，幾乎是完美的，熔接前的波前誤差約44納米。在熔接之後，僅僅變成了54納米，可以說幾乎沒有出現誤差，是相對完美的技術結果。

下面是GRACE干涉儀要求以及其結果：

M2≤1.04 .. 1.2

波前誤差(P-V) 53nm .. 60 nm

光束? 5.1 mm.. 5.4 mm

偏轉≤0,9% .. 3,2 %

角度公差≤0,229 mrad

總結

以上介紹的就是我們與FraunhoferIOF共同研發的智能光纖熔接機。最後我給大家總結一下今天講的三大主要信息：1）CO2激光是用於製造光子器件的多功能工具，我僅談到錐化、端帽熔接應用，但你可以應用到其它領域。2）用於激光熔接和錐化（還能用於玻璃加工的其他工藝）3）經過驗證的技術與各種應用的傑出結果。

（來源：激光製造商情）

文字整理：Johnny