CN113703096A - 一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，所述方法包括如下步骤：将带有紧套管的光纤剥去预设长度的涂覆层与紧套管的光纤段，剥除涂覆层与紧套管的光纤段沾取环氧胶粘接剂，然后穿入陶瓷插芯中，加热使环氧胶粘接剂固化，使光纤与陶瓷插芯通过环氧树脂胶粘接牢固；将突出陶瓷插芯一端的部分光纤去掉，将光纤与陶瓷插芯端面放置端面研磨机上进行研磨、抛光；将K9玻璃镀膜膜片使用粘接剂粘接到光纤与陶瓷插芯端面得到光纤组件；通过环氧树脂胶将光纤组件设置于不锈钢管壳内。本发明避免在不同材料组成的端面上光学镀膜时产生的膜层裂痕，实现高可靠性、高质量的生产基于深孔陶瓷封装结构的光纤反射镜。

Description

一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法

技术领域

本发明属于介质膜光光纤反射镜制作技术领域，尤其涉及一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法。

背景技术

光纤反射镜是一种实现光路中光反射的无源器件，实现光纤中光的反射，在进行陶瓷插芯与光纤端面镀膜时，常常发生光纤与陶瓷插芯结合部出现裂痕，这是因为镀膜端面由陶瓷插芯、光纤、粘接胶等三种成分组成，这三种成分由于热膨胀系数不同，其中粘接胶的热膨胀系数最大，可导致端面的反射膜在温度变化下，形变应力造成端面膜层破裂，进而导致膜层脱落。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，避免在不同材料组成的端面上光学镀膜时产生的膜层裂痕，可以实现高可靠性、高质量的生产基于深孔陶瓷封装结构的光纤反射镜。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：将带有紧套管的光纤剥去预设长度的涂覆层与紧套管的光纤段，剥除涂覆层与紧套管的光纤段沾取环氧胶粘接剂，然后穿入陶瓷插芯中，加热使环氧胶粘接剂固化，使光纤与陶瓷插芯通过环氧树脂胶粘接牢固；步骤二：将突出陶瓷插芯一端的部分光纤去掉，将光纤与陶瓷插芯端面放置端面研磨机上进行研磨、抛光；步骤三：将K9玻璃镀膜膜片使用粘接剂粘接到光纤与陶瓷插芯端面得到光纤组件；步骤四：通过环氧树脂胶将光纤组件设置于不锈钢管壳内；步骤五：在不锈钢管壳封口处，使用尾纤保护硅橡胶将光纤与不锈钢管壳固定在一起。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，在步骤一中，光纤的长度为6米。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，在步骤一中，预设长度为1cm。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，在步骤三中，K9玻璃镀膜膜片通过如下方法得到：在尺寸为0.7mm*0.7mm的K9玻璃上，采用光学镀膜的方式在玻璃的一表面上镀一层光学膜。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，在步骤二中，研磨抛光加工时，使得研磨机的磨料粒度的切削深度小于光纤临界切削深度。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，光纤临界切削深度通过如下公式得到：

其中，d_c为光纤临界切削深度，E_f为光纤的弹性模量，HV_f为光纤的维氏显微硬度，K_IC为光纤的断裂韧性。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，研磨机的磨料为金刚石磨料。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，当金刚石磨料的粒度小于20μm时，将磨料看成球形，应用Hertz接触理论，得到单颗金刚石磨粒的切削深度。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，单颗金刚石磨粒的切削深度通过如下公式得到：

其中，K_a为磨料浓度，K_p为研磨压力系数，D_a为磨料粒度，E^*为等效弹性模量，HV'_f为磨料的维氏显微硬度。

上述新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法中，等效弹性模量E^*通过如下公式得到：

其中，E_a为磨料的弹性模量，v_f为光纤的泊松比，v_a为磨料的泊松比。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过在陶瓷插芯端面粘接光学镀膜镜片的方式取代在陶瓷插芯端面镀膜的方式，膜层接触面由陶瓷插芯端面、环氧树脂胶、光纤端面组成的面转变为粘接剂，避免了在端面镀膜在温度变化下造成的膜层裂痕；

(2)本发明将研磨机的磨料粒度的切削深度小于光纤临界切削深度，就会以塑性流动的方式去除，从而可获得较高表面质量的加工面；

(3)本发明在镜片粘接过程中，通过控制粘接剂的涂覆位置，保证粘接剂不接触光纤端面，以减少光在粘接剂中传输造成的损耗，提高了光纤反射镜的反射率；

(4)本发明在镜片粘接过程中，通过控制粘接剂的涂覆位置，使粘接剂均匀涂敷在镜片与陶瓷插芯端面，使镜片与陶瓷插芯端面距离相等，减少镜片在温度变化下产生倾斜，从而减少了光纤反射镜在温度变化下反射率的变化；

(5)本发明通过在粘接镜片时，利用一只光纤耦合器，1端接光源，2端接功率计，3端接待粘接光纤反射镜，4端做限光处理。通过在光纤反射镜的尾纤中通光的方式，实时检测光纤反射镜的反射功率，通过光纤反射镜的反射率来表征粘接时的镜片的位置。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的粘接镜片式多模光纤反射镜结构示意图；

图2是本发明实施例提供的在粘接镜片时实时检测光纤反射镜的反射率的光路图；

图3是本发明实施例提供的单层介质膜界面的反射与透射的示意图；

图4是本发明实施例提供的单层介质膜的反射率与光学厚度的关系的示意图；

图5是本发明实施例提供的粗糙表面对光线反射产生的光程差的示意图；

图6是本发明实施例提供的光纤端面研磨抛光流程图；

图7是本发明实施例提供的反射镜镜片的反射率与波长的变化关系图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的粘接镜片式多模光纤反射镜结构示意图。本实施例提供了一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：一段6米长的带有紧套管的光纤剥去一段1cm长度的涂覆层与紧套管，剥除涂覆层的光纤沾取环氧胶粘接剂，然后穿入陶瓷插芯中，加热使环氧树脂胶固化，使光纤陶瓷插芯通过环氧树脂胶粘接牢固；

步骤二：将光纤与陶瓷插芯粘接的组件，去除突出陶瓷插芯一端的光纤，然后将光纤与陶瓷插芯端面放置端面研磨机上进行研磨、抛光。

步骤三：在一定厚度尺寸为0.7mm*0.7mm的K9玻璃上，采用光学镀膜的方式在陶瓷插芯与光纤端面镀上一层光学膜；

步骤四：将镀好光学膜的K9玻璃使用粘接剂粘接到光纤与陶瓷插芯端面，注意光学镀膜的一面与陶瓷插芯端面对接；

步骤五：将粘接了K9玻璃镀膜膜片的光纤组件，使用环氧树脂胶涂覆在陶瓷插芯周围，然后放入不锈钢管壳，使管壳与陶瓷插芯在环氧树脂胶粘接牢固；

步骤六：在不锈钢管壳封口处，使用尾纤保护硅橡胶将光纤与不锈钢管壳固定在一起。

针对在光纤和陶瓷插芯端面镀膜在温度变化下容易引起环状裂痕的问题，本发明采用粘接镜片的方式取代端面镀膜，从而避免了膜层产生裂痕。

如图1所示，本发明的一种贴片式紧套管光纤反射镜，包括光纤、粘结剂1、陶瓷插芯、反射镜片、粘结剂2、不锈钢管壳、尾纤保护胶。光纤通过粘结剂1粘接固定在陶瓷插芯上；反射镜片通过粘接剂3直接粘接在光纤与陶瓷插芯端面。粘接时，采用图2所示的光路，实时检测光路图2中光功率计CH1的读数，当镜片在读数最大时，对粘接剂3进行紫外曝光固化。控制粘接剂3的涂覆位置，保证粘接剂3不会流入到镜片与光纤的传输路径上，这样可以保证光路损耗最小，保证光纤反射镜的反射率高；其二粘接剂3均匀涂覆在镜片四周，这样可以保证在温度变化下，随着粘接剂1的热膨胀，镜片与陶瓷插芯的角度不变，这样可以保证光纤反射镜的反射率变化量最小。

在光纤陶瓷插芯镜片组件做好后，使用粘结剂2将管壳和组件粘结在一起，然后在陶瓷插芯根部涂覆根部保护胶。

本发明基于介质膜光纤反射镜原理制作而成。介质膜光纤反射镜的原理是建立在多光束干涉基础之上的，最简单的多层反射是由高低折射率的两种材料交替蒸镀而成，每层膜的光学厚度为某波长的1/4。在这种条件下，多层介质膜各界面上的反射光矢量，振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加，但由于膜层中的吸收、散射损失，当膜系达到一定层数时，反射率也不能再提高。一般的介质膜采用五氧化二钽(Ta2O5)与二氧化硅(SiO2)作为镀膜材料，也可以用五氧化三钛(Ti3O5)和二氧化硅(SiO2)，可根据需要设计成宽带或者窄带的反射膜。

首先介绍单层介质膜的光学特性，设入射光的振幅为1，如图3所示，在n0至n1界面上反射所形成的反射光1的振幅为r01，而透射光为t01，该光再经n1至ns界面的反射及由n1至n0界面的透射而形成的反射光2，其振幅是t01r12t10，同样可得其它各反射光3、4、…、m的振幅分别为t01r²12t10、t01r³12t²10、t01r⁴12t³10…、t01r^m-312t^m-210等。此外将反射光1与2相比知，任意两相邻反射光由于光程差引起的相位差为：

其中：为光在真空中的波长，为折射角。

由于各光波是相干的，它们叠加后的合振幅为

单层膜的反射率为

将相应的菲涅尔系数代入上式，则单层膜的反射率又可写成

当单层介质膜的光学厚度为，k为奇数，则单层膜的反射率为

单层介质膜的反射率随其光学厚度的变化关系见图4。显然，当反射率存在最大值，有增反的效果。

光纤反射镜的光学性能技术指标包括：中心波长、光学带宽、反射率。这些指标均由介质膜决定，其中反射率的高低也与光纤研磨的角度有关。

光纤端面粗糙度对光反射的影响：

当反射镜光纤端面不平整光滑时，入射到光纤表面上的光线经由光纤粗糙表面的反射，会造成光程差，影响到光纤传输系统的稳定性。为避免入射光在光纤表面的漫反射，对表面粗糙度有较严格的要求，图5所示，将粗糙表面简化为细微台阶表面，a、b两束平行光从空气中入射到粗糙光纤表面，同时达到A、C点，入射角为θ，其反射角与入射角相等。a束光的光程为AB，b束光的光程为CO+OB，则a、b两束光的光程差Δ为：

从光学基本理论可知，要避免漫反射，光程差不能超过光波长的八分之一，即

则

式中：Δ——光程差，nm；

h——台阶高度，nm；

λ——光波长，nm；

θ——光入射角。

光在光纤中传输时，入射角一般≤8°，入射角基本垂直于光纤端面，即，当时，入射到光纤端面的光就不会产生漫反射。光纤传输系统中的光在红外区，其波长λ＝1310nm～1550nm，则h≤82nm～97nm。就是说，只要光纤端面粗糙度的凹凸不平小于82nm～97nm，则光入射后就不会在光纤端面产生漫反射。

光纤端面研磨机理：

光纤材料、金刚石磨料及ZrO₂陶瓷材料的力学性能见表1所示。

表1光纤、氧化锆陶瓷以及金刚石磨料的材料力学性能

光纤反射镜制作过程中的一道关键工序是光纤端面研磨抛光，由于光纤属于硬脆玻璃材料，加工时材料去除机理一般为脆性断裂，如果不采取合适的措施，加工过程中就不可避免地要产生大量的微裂纹或凹坑，造成其表面粗糙度较高，引起光的散射和吸收，对提高光纤反射镜的光学性能极为不利。光纤端面(粘接在陶瓷插芯内部)研磨，即对陶瓷、玻璃等脆性材料进行磨削、研磨抛光加工时，只要磨料粒度的切削深度小于与工件材料性能相关的某临界值，脆性材料就会以塑性流动的方式去除，从而可获得较高表面质量的加工面。

应用显微压痕法建立磨削玻璃材料时实现脆性转变的条件，即单个磨粒的切削深度应小于脆性材料的临界切削深度。

将表1中石英玻璃光纤的材料性能值代入公式(1)，得到光纤的临界切削深度d_c＝0.023μm。在研磨过程中，当磨粒的切削深度低于其脆性转变的临界切削深度，即可在延性模式下研磨出高质量的光纤端面。

当金刚石磨料的粒度小于20μm时，可将磨料看成球形，通过对研磨过程中磨料与工件的接触状态进行分析，应用Hertz接触理论，得到单颗金刚石磨粒的切削深度

式中K_a——磨料浓度，磨料在砂纸上所占面积的百分比；

K_p——研磨压力系数，为量纲一值，其值等于名义研磨压力p；

D_a——磨料粒度；

E^*——等效弹性模量；

E_a——磨料的弹性模量；

v_f——光纤的泊松比；

v_a——磨料的泊松比。

经验估算K_a≈0.5；设定的名义研磨压力p＝0.48MPa，即K_p＝0.48；将表1中的石英玻璃光纤及金刚石磨料的材料性能值代入式(2)，得到不同磨料的切削深度，如表2所示。

表2不同粒度磨料的切削深度

磨料粒度D<sub>a</sub>/μm	切削深度d/μm
		6	0.0376
3	0.0188
		1	0.0063
0.2	0.0013

因此，当金刚石磨料平均粒度为6μm时，大部分磨料的切削深度为0.0376μm左右，大于临界切削深度，光纤材料以脆性断裂模式去除；当金刚石磨料平均粒度为3μm时，磨粒的切削深度为0.0188m，与临界切削深度相近，但实际上存在部分磨粒尺寸大于3m，因此材料去除表现为半脆性半延性去除模式；当磨料平均粒度小于1μm时，大部分磨粒的切削深度小于临界切深，光纤表面材料产生塑性流动，以延性模式去除。

通过光纤端面粗糙度对光反射的影响分析可得：要避免光纤端面漫反射，提高光纤端面反射光反射率，对应于1310nm～1550nm波段，光纤端面粗糙度的凹凸不平应小于82nm～97nm。而通过光纤端面研磨机理分析可得，这一粗糙度量级可以通过光纤端面抛光实现。

根据光纤端面研磨抛光机理，光纤反射镜端面研磨抛光工序，可设计成从脆性断裂(磨粒的切削深度大于0.023m)到延性断裂的系列研磨抛光流程，如图6所示。

反射镜镜片设计：

反射镜片的膜系根据介质膜反射原理进行设计的。介质膜反射原理是建立在多光束干涉基础上的，由高、低折射率的两种材料交替蒸镀而成，每层膜的光学厚度为某一波长的四分之一。该条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加，但由于膜层中的吸收、散射损失，当膜系到达一定层数时，反射率也不能再提高，理论上设计最高值可达到99.99％。

从图7中可以看出，反射镜在1510～1590nm波长范围内的反射率远大于95％。

粘接胶选型：

贴片式多模光纤反射镜的关键工艺是镜片粘接工艺，镜片粘接工艺的重点是粘接胶选型。粘接胶的作用主要是将镜片与陶瓷插芯粘接，使镜片在温度变化下不发生移位，从而使反射镜具有稳定的光信号反射功能。

除此之外，反射镜的光路中不应留存胶水，因为光路中的胶水在温度变化下折射率发生变化，影响反射镜的反射功能。因此，在粘接镜片时，粘接胶的流动性适中，在紫外固化前，流入镜片与陶瓷插芯间隙，而不会流到光纤纤芯区。

反射镜镜片粘接胶对反射镜的常温性能、全温性能具有重大影响。因此，粘接胶具有良好的紫外固化特性、合适的粘度、合适的硬度、合适的弹性模量等。

经过试验验证，UV649胶的粘度高，流动性差，粘接镜片时不易流入光纤区，且粘接镜片后，反射镜反射率均匀性较好，适合粘接反射镜镜片。

本发明通过在陶瓷插芯端面粘接光学镀膜镜片的方式取代在陶瓷插芯端面镀膜的方式，膜层接触面由陶瓷插芯端面、环氧树脂胶、光纤端面组成的面转变为粘接剂，避免了在端面镀膜在温度变化下造成的膜层裂痕；本发明将研磨机的磨料粒度的切削深度小于光纤临界切削深度，就会以塑性流动的方式去除，从而可获得较高表面质量的加工面；本发明在镜片粘接过程中，通过控制粘接剂的涂覆位置，保证粘接剂不接触光纤端面，以减少光在粘接剂中传输造成的损耗，提高了光纤反射镜的反射率；本发明在镜片粘接过程中，通过控制粘接剂的涂覆位置，使粘接剂均匀涂敷在镜片与陶瓷插芯端面，使镜片与陶瓷插芯端面距离相等，减少镜片在温度变化下产生倾斜，从而减少了光纤反射镜在温度变化下反射率的变化；本发明通过在粘接镜片时，利用一只光纤耦合器，1端接光源，2端接功率计，3端接待粘接光纤反射镜，4端做限光处理。通过在光纤反射镜的尾纤中通光的方式，实时检测光纤反射镜的反射功率，通过光纤反射镜的反射率来表征粘接时的镜片的位置。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将带有紧套管的光纤剥去预设长度的涂覆层与紧套管的光纤段，剥除涂覆层与紧套管的光纤段沾取环氧胶粘接剂，然后穿入陶瓷插芯中，加热使环氧胶粘接剂固化，使光纤与陶瓷插芯通过环氧树脂胶粘接牢固；

步骤二：将突出陶瓷插芯一端的部分光纤去掉，将光纤与陶瓷插芯端面放置端面研磨机上进行研磨、抛光；

步骤三：将K9玻璃镀膜膜片使用粘接剂粘接到光纤与陶瓷插芯端面得到光纤组件；

步骤四：通过环氧树脂胶将光纤组件设置于不锈钢管壳内；

步骤五：在不锈钢管壳封口处，使用尾纤保护硅橡胶将光纤与不锈钢管壳固定在一起。

2.根据权利要求1所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：在步骤一中，光纤的长度为6米。

3.根据权利要求1所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：在步骤一中，预设长度为1cm。

4.根据权利要求1所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：在步骤三中，K9玻璃镀膜膜片通过如下方法得到：

在尺寸为0.7mm*0.7mm的K9玻璃上，采用光学镀膜的方式在玻璃的一表面上镀一层光学膜。

5.根据权利要求1所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：在步骤二中，研磨抛光加工时，使得研磨机的磨料粒度的切削深度小于光纤临界切削深度。

6.根据权利要求5所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：光纤临界切削深度通过如下公式得到：

其中，d_c为光纤临界切削深度，E_f为光纤的弹性模量，HV_f为光纤的维氏显微硬度，K_IC为光纤的断裂韧性。

7.根据权利要求5所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：研磨机的磨料为金刚石磨料。

8.根据权利要求7所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：当金刚石磨料的粒度小于20μm时，将磨料看成球形，应用Hertz接触理论，得到单颗金刚石磨粒的切削深度。

9.根据权利要求8所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：单颗金刚石磨粒的切削深度通过如下公式得到：

其中，K_a为磨料浓度，K_p为研磨压力系数，D_a为磨料粒度，E^*为等效弹性模量，HV'_f为磨料的维氏显微硬度。

10.根据权利要求9所述的新型贴片式紧套管多模光纤反射镜的制备方法，其特征在于：等效弹性模量E^*通过如下公式得到：

其中，E_a为磨料的弹性模量，v_f为光纤的泊松比，v_a为磨料的泊松比。

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