一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法
【专利摘要】本发明涉及一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法，操作步骤如下：1)毛细管的准备过程和固定过程；2）熔融拉锥过程；3）熔锥毛细管卸载过程；本发明与现在技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1．利用悬挂物微重力拉伸毛细管操作简单快速不容易折断，设备成本低。2．利用悬挂物重力拉伸技术可制作出锥腰直径更小长度更长的拉细毛细管。3.利用悬挂物重力拉伸技术制作出的熔锥毛细管均匀性和重复性更好。4.悬挂物重力拉伸技术所需初始样品更短更节省毛细管材料，而且不受样品粗细限制。
【专利说明】
一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法。
【背景技术】
[0002]二氧化碳(C02)激光加工技术己经成功地应用在许多基于光纤加工的微光学器件制备过程中。例如制作长周期光纤光栅、近场扫描探针和熔锥光纤等。石英毛细管虽然内部是空芯但无论从外观和尺寸上还是材质上与光纤很相似，二氧化碳(C02)激光加工技术同样适用于石英毛细管的微加工领域。近年来空心的石英毛细管可广泛用于各种光微流光学器件制备上，例如使其加工成回音壁模式圆形光学微腔和微气泡微腔，与其它光纤器件再进行全光器件组合而构成各种更高灵敏度光电传感器等。
[0003]因受到工艺限制目前市面上提供的大量石英毛细管外径尺寸一般较大(100-500微米)，而对于光微流器件来说需要更细(30微米以下)石英毛细管。为此需要把粗毛细管拉锥成细毛细管。实现更细外径尺寸(30微米以下)的熔锥毛细管是当前工艺上一个难点。Yong Yang等人2016年I月在《OPTICS EXPRESS》第I期第24卷上发表了篇名为High-Q，ultrathin-walled microbubble resonator for aerostatic pressure sensing的文章，提出利用二氧化碳激光熔拉锥的装置并且制作出了外径为30微米的熔锥石英毛细管。该装置采用双光束加热方法使2束相向激光束同时聚焦在水平放置裸纤毛细管上，在持续加热毛细管的同时由步进电机带动固定毛细管的夹具，使其向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构。但通过查阅文献可以发现:1.此种C02激光作为热源熔融拉锥方法中，设备显得比较复杂;所制作出的熔锥毛细管最细锥腰直径才达到30微米，要制作更小尺寸外径需要更高精度装置，这导致制作成本很高；2.由于水平拉直过程中由步进电机来控制，工艺参数很难设置容易造成毛细管折断;3.由于毛细管两端都由夹具固定，卸载过程中容易折断熔锥毛细管。4.因步进电机固定拉伸故毛细管两端预留部分比较长，浪费毛细管材料严重。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
本发明所述的一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法，操作步骤如下:
I)毛细管的准备过程和固定过程:取一段长度、外径和内壁厚度分别大于3cm、50微米和10微米左右的石英毛细管，并在所述石英毛细管的两端套上长度相同的2个套管，再将其中一个套管安装在一个三维调整架下端，另一个套管下端悬挂一个重物，使石英毛细管处于自然绷直状态，在三维调整架左侧位置安装一个作为热源的高频脉冲二氧化碳激光器，在所述连续脉冲二氧化碳激光器正下端安装第一反光镜，在所述石英毛细管的右下端安装有第二反光镜，在所述第一反光镜和第二反光镜之间安装一个分束比为50/50的分束镜，且将所述第一反光镜、第二反光镜和分束镜放置在同一水平线上，在所述分束镜正上方安装第三反光镜，将所述第一反光镜逆时针方向上旋转45^，将所述第二反光镜、第三反光镜和分束镜均顺时针方向上旋转45%使入射角和反射角都为45%在所述石英毛细管一侧安装一个显微镜，并对准到光束聚焦加热位置；
2)熔融拉锥过程:打开高频脉冲二氧化碳激光器慢慢加大其功率，同时用显微镜实时观察石英毛细管上的光束聚焦部分物理变化情况，当聚焦部分开始出现熔融状态时停止加大高频脉冲二氧化碳激光器的功率，在继续维持加热情况下石英毛细管在悬挂物重力的作用下慢慢往下拉伸，自然形成熔锥状拉细毛细管；
3)熔锥毛细管卸载过程:在石英毛细管停止继续被拉伸后关闭高频脉冲二氧化碳激光器，待自然冷却后轻轻取下重物，然后轻轻地把石英毛细管和套管从三位调整架取下来，若无其它工艺要求时熔锥毛细管两端上2个套管保留待用即可。
[0006]采用上述结构后，本发明与现在技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.利用悬挂物微重力拉伸毛细管操作简单快速不容易折断，设备成本低。
[0007]2.利用悬挂物重力拉伸技术可制作出锥腰直径更小长度更长的拉细毛细管。
[0008]3.利用悬挂物重力拉伸技术制作出的熔锥毛细管均匀性和重复性更好。
[0009]4.悬挂物重力拉伸技术所需初始样品更短更节省毛细管材料，而且不受样品粗细限制。
[0010]5.因在一定功率条件下C02激光对石英毛细管加热会有自约束效应，如果不持续加大激光器功率时当熔锥毛细管拉细到一定程度之后聚焦部分光吸收功率迅速下降而自动停止拉锥，因此不用担心毛细管因迅速变细而拉断。
【附图说明】
[0011 ]图1是本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0013]如图1所示，本发明所述的一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法，操作步骤如下:
I)毛细管的准备过程和固定过程:取一段长度、外径和内壁厚度分别大于3cm、50微米和10微米左右的石英毛细管9，并在所述石英毛细管9的两端套上长度相同的2个套管10，再将其中一个套管10安装在一个三维调整架7下端，另一个套管10下端悬挂一个重物8，使石英毛细管9处于自然绷直状态，在三维调整架7左侧位置安装一个作为热源的高频脉冲二氧化碳激光器I，在所述连续脉冲二氧化碳激光器I正下端安装第一反光镜3，在所述石英毛细管9的右下端安装有第二反光镜5，在所述第一反光镜3和第二反光镜5之间安装一个分束比为50/50的分束镜4，且将所述第一反光镜3、第二反光镜5和分束镜4放置在同一水平线上，在所述分束镜4正上方安装第三反光镜2，将所述第一反光镜3逆时针方向上旋转45%将所述第二反光镜5、第三反光镜2和分束镜4均顺时针方向上旋转45%使入射角和反射角都为45°，在所述石英毛细管9 一侧安装一个显微镜6，并对准到光束聚焦加热位置；
2)熔融拉锥过程:打开高频脉冲二氧化碳激光器I慢慢加大其功率，同时用显微镜6实时观察石英毛细管9上的光束聚焦部分物理变化情况，当聚焦部分开始出现熔融状态时停止加大高频脉冲二氧化碳激光器I的功率，在继续维持加热情况下石英毛细管9在悬挂物8重力的作用下慢慢往下拉伸，自然形成熔锥状拉细毛细管；
3)熔锥毛细管卸载过程:在石英毛细管9停止继续被拉伸后关闭高频脉冲二氧化碳激光器I，待自然冷却后轻轻取下重物8，然后轻轻地把石英毛细管9和套管10从三位调整架7取下来，若无其它工艺要求时熔锥毛细管两端上2个套管10保留待用即可。
[0014]本发明的有益效果是:
1.利用悬挂物微重力拉伸毛细管操作简单快速不容易折断，设备成本低。
[0015]2.利用悬挂物重力拉伸技术可制作出锥腰直径更小长度更长的拉细毛细管。
[0016]3.利用悬挂物重力拉伸技术制作出的熔锥毛细管均匀性和重复性更好。
[0017]4.悬挂物重力拉伸技术所需初始样品更短更节省毛细管材料，而且不受样品粗细限制。
[0018]5.因在一定功率条件下C02激光对石英毛细管加热会有自约束效应，如果不持续加大激光器功率时当熔锥毛细管拉细到一定程度之后聚焦部分光吸收功率迅速下降而自动停止拉锥，因此不用担心毛细管因迅速变细而拉断。
[0019]以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
【主权项】
1.一种以二氧化碳激光作为热源的石英毛细管熔融拉锥方法，其特征在于:操作步骤如下: I)毛细管的准备过程和固定过程:取一段长度、外径和内壁厚度分别大于3cm、50微米和10微米左右的石英毛细管(9)，并在所述石英毛细管(9)的两端套上长度相同的2个套管(10)，再将其中一个套管(10)安装在一个三维调整架(7)下端，另一个套管(10)下端悬挂一个重物(8)，使石英毛细管(9)处于自然绷直状态，在三维调整架(7)左侧位置安装一个作为热源的高频脉冲二氧化碳激光器(1)，在所述连续脉冲二氧化碳激光器(I)正下端安装第一反光镜(3)，在所述石英毛细管(9)的右下端安装有第二反光镜(5)，在所述第一反光镜(3)和第二反光镜(5)之间安装一个分束比为50/50的分束镜(4)，且将所述第一反光镜(3)、第二反光镜(5)和分束镜(4)放置在同一水平线上，在所述分束镜(4)正上方安装第三反光镜(2)，将所述第一反光镜(3)逆时针方向上旋转45'将所述第二反光镜(5)、第三反光镜(2)和分束镜(4)均顺时针方向上旋转45%使入射角和反射角都为45%在所述石英毛细管(9) 一侧安装一个显微镜(6)，并对准到光束聚焦加热位置； 2)熔融拉锥过程:打开高频脉冲二氧化碳激光器(I)慢慢加大其功率，同时用显微镜(6)实时观察石英毛细管(9)上的光束聚焦部分物理变化情况，当聚焦部分开始出现熔融状态时停止加大高频脉冲二氧化碳激光器(I)的功率，在继续维持加热情况下石英毛细管(9)在悬挂物(8)重力的作用下慢慢往下拉伸，自然形成熔锥状拉细毛细管； 3)熔锥毛细管卸载过程:在石英毛细管(9)停止继续被拉伸后关闭高频脉冲二氧化碳激光器(I)，待自然冷却后轻轻取下重物(8)，然后轻轻地把石英毛细管(9)和套管(10)从三位调整架(7)取下来，若无其它工艺要求时熔锥毛细管两端上2个套管(10)保留待用即可。
【文档编号】G02B6/255GK105891954SQ201610440538
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】吴根柱, 刘斌彬, 徐洪, 林祝亮
【申请人】浙江师范大学