專利名稱：一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖探頭制備方法領域，具體為一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法。
背景技術：
隨著微加工技術的發(fā)展，MEMS器件、超精密機械零件、高精度光學元件的應用越來越廣泛，對其三維輪廓的準確測量越來緊迫。由于這些器件的結構具有橫向尺寸小但深寬比大、加工精度高的特點，因此需要研究開發(fā)能夠對這些器件三維輪廓進行精密測量的微納米三坐標測量機及其相關技術，其中包括具有微探球的接觸式微探頭的制備方法和制備技術。現有的微納米三坐標測量機的測頭一般分為接觸式、非接觸式及基于新工作原理/技術的其他形式的測頭。其中接觸式微探頭的應用最廣泛，它的研制也一直受到國內外的廣泛關注。接觸式微探頭通過探頭和試樣的直接接觸，采集試樣表面的三維坐標點來獲得試樣的三維形貌信息。常用于制作微納米三坐標測量機接觸式微探頭的材料通常有紅寶石、鎢及碳化鎢等。紅寶石探頭直徑太大，探球直徑一般大于300 μ m，而由鎢材料制備的微探頭質量差且易氧化，而直接用光纖燒制的微探頭的探球直徑也大于300 μ m?，F有的加工方法制備出的微探頭，存在體積較大、制備方法復雜、成本較高等缺點，即不能滿足三維微納米測量技術的需要，也不利于大批量的生產。因此，急需發(fā)明一種可用于微納米三維測量儀器的、并具有微探球直徑小、制作成本低廉的接觸式微探頭制備方法。

發(fā)明內容
針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供了基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法。本發(fā)明所采用的技術方案為:
一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:選用單模光纖材料制備接觸式光纖微探頭，首先采用光纖拉錐技術將單模光纖拉細，然后將拉錐后的單模光纖準確地放入光纖熔接機的V型定位槽中，使拉錐后的單模光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域內，利用光纖熔接機的電火花放電對拉錐后的單模光纖被拉錐部分進行初步燒制和優(yōu)化燒制，整個燒制過程中使拉錐后的單模光纖旋轉，以克服重力帶來的影響，從而在拉錐后的單模光纖端部得到球徑小、球度好、偏心小的微探球，由微探球與拉錐后的單模光纖構成接觸式光纖微探頭，初步燒制和優(yōu)化燒制的同時，基于田口法合理配置光纖熔接機初步燒制和優(yōu)化過程的過程控制參數。所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:采用光纖拉錐技術將單模光纖拉細的過程如下:將一對除去涂覆層的單模光纖分別置于兩移動平臺上，兩移動平臺可相向或反向滑動。首先令兩移動平臺相向滑動，使兩根單模光纖相互靠攏至兩光纖端頭接觸，然后采用酒精燈使兩根單模光纖熔融為一體，接著使兩移動平臺分別帶動對應的單模光纖向相反方向快速移動，使熔融后的單模光纖被拉伸，在相互熔融的部分形成雙錐體結構，從而使得光纖直徑變細。所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:拉錐后的單模光纖直徑拉細至小于40 μ m的范圍內，使得最后獲得的接觸式光纖微探頭的微球球徑數值小于拉錐前單模光纖直徑數值。所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:采用微動三維平臺、旋轉光纖夾具，拉錐后的單模光纖由旋轉光纖夾具夾持固定，利用微動三維平臺將夾持有拉錐后的單模光纖的旋轉光纖夾具準確放入光纖熔接機的V型定位槽中，然后通過光纖熔接機自帶的成像裝置找準拉錐后的單模光纖位置，并根據拉錐后的單模光纖在V型定位槽中的位置將光纖熔接機的放電電極放置在合適的位置，使拉錐后的單模光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域內，最后利用光纖熔接機的放電電極電火花放電對拉錐后的單模光纖進行初步燒制和優(yōu)化燒制。所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:初步燒制過程中，利用旋轉光纖夾具帶動拉錐后的單模光纖按照固定的角度和方向周期旋轉，使初步制備出的接觸式光纖微探頭具有較理想的二維直徑和較好的二維圓度；優(yōu)化燒制過程中，利用旋轉光纖夾具帶動初步制備出的接觸式光纖微探頭旋轉一定的角度I以補償初步制備中出現的接觸式光纖微探頭偏心問題，最終在拉錐后的單模光纖端部得到球徑小、球度好、偏心小的微探球，由微探球與拉錐后的單模光纖構成接觸式光纖微探頭；整個燒制過程中，基于田口法合理配置的過程控制參數為光纖錐角處理方式、光纖端面距離放電電極中心線的距離、初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電電流強度、初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電時間和兩個階段的燒結次數，各過程控制參數的水平數是根據燒制光纖微探頭的經驗選取的典型數值，在田口法中，針對不同的光纖微探頭評價參數，利用信噪比分析和方差分析來確定各過程控制參數的最優(yōu)組合條件和各過程控制參數對于評價參數影響的顯著度。本發(fā)明采用光纖拉錐技術將光纖拉細；再在商用光纖熔接機的基礎上，增加了微動三維平臺和旋轉光纖夾具，將拉錐后的單模光纖通過微動三維平臺和旋轉夾具，準確地放入光纖熔接機的V型定位槽中；通過合理設置燒制參數，經過初步燒制過程和優(yōu)化燒制過程兩個階段，獲得了具有較小球徑微球的接觸式光纖微探頭。本發(fā)明制備簡單，成本低廉，所制備的接觸式微探頭的微探球直徑小，可作為微納米三坐標測量機等三維幾何量測量儀器制備接觸式三維探頭，能提高微納米三坐標測量機等三維測量儀器對微小尺寸的測量能力，使這些儀器可實現高深寬比微結構的超精密機械零件、MEMS器件、超精密光學元件的真三維形貌測量。本發(fā)明的有益效果為:
1、本發(fā)明采用光纖拉錐技術和商用光纖熔接機，在光纖端面上燒制出球徑小、球度好、偏心小的接觸式光纖微探頭。該方法制備簡單，成本低廉，所制備的微探頭可為微納米三坐標測量機等三維幾何量測量儀器制備接觸式三維探頭，使這些儀器可實現高深寬比微結構的超精密機械零件、MEMS器件、超精密光學元件的真三維形貌測量。2、本發(fā)明經測量驗證，所制備的接觸式光纖微探頭具有球徑小和表面形貌光滑的特點。其中微探頭的二維截面直徑小于80 μ m、二維圓度小于I μ m、微探球與探桿之間的二維偏心距小于I μ m。


圖1是本發(fā)明中自制光纖拉錐系統(tǒng)的簡化原理圖。圖2是本發(fā)明中制備接觸式光纖微探頭的實驗裝置圖。圖3是本發(fā)明中制備出的一個接觸式光纖微探頭在顯微鏡下的示意圖。圖4為制備出的接觸式光纖微探頭在顯微鏡下不同角度截面二維直徑示意表圖。圖5為制備出的接觸式光纖微探頭在顯微鏡下不同角度截面二維圓度示意表圖。圖6為制備出的接觸式光纖微探頭在顯微鏡下不同角度截面二維偏心距示意表圖。
具體實施例方式一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，選用單模光纖材料制備接觸式光纖微探頭，首先采用光纖拉錐技術將單模光纖拉細，然后將拉錐后的單模光纖準確地放入光纖熔接機的V型定位槽中，使拉錐后的單模光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域內，利用光纖熔接機的電火花放電對拉錐后的單模光纖被拉錐部分進行初步燒制和優(yōu)化燒制，整個燒制過程中使拉錐后的單模光纖旋轉，以克服重力帶來的影響，從而在拉錐后的單模光纖端部得到球徑小、球度好、偏心小的微探球，由微探球與拉錐后的單模光纖構成接觸式光纖微探頭，初步燒制和優(yōu)化燒制的同時，基于田口法合理配置光纖熔接機初步燒制和優(yōu)化過程的過程控制參數。采用光纖拉錐技術將單模光纖拉細的過程如下:將一對除去涂覆層的單模光纖分別置于兩移動平臺上，兩移動平臺可相向或反向滑動，首先令兩移動平臺相向滑動，使兩根單模光纖相互靠攏至兩光纖端頭接觸，然后采用酒精燈使兩根單模光纖熔融為一體，接著使兩移動平臺分別帶動對應的單模光纖向相反方向快速移動，使熔融后的單模光纖被拉伸，在相互熔融的部分形成雙錐體結構，從而使得光纖直徑變細。拉錐后的單模光纖直徑拉細至小于40 μ m的范圍內，使得最后獲得的接觸式光纖微探頭的微球球徑數值小于拉錐前單模光纖直徑數值。采用微動三維平臺、旋轉光纖夾具，拉錐后的單模光纖由旋轉光纖夾具夾持固定，利用微動三維平臺將夾持有拉錐后的單模光纖的旋轉光纖夾具準確放入光纖熔接機的V型定位槽中，然后通過光纖熔接機自帶的成像裝置找準拉錐后的單模光纖位置，并根據拉錐后的單模光纖在V型定位槽中的位置將光纖熔接機的放電電極放置在合適的位置，使拉錐后的單模光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域內，最后利用光纖熔接機的放電電極電火花放電對拉錐后的單模光纖進行初步燒制和優(yōu)化燒制。初步燒制過程中，利用旋轉光纖夾具帶動拉錐后的單模光纖按照固定的角度和方向周期旋轉，使初步制備出的接觸式光纖微探頭具有較理想的二維直徑和較好的二維圓度；優(yōu)化燒制過程中，利用旋轉光纖夾具帶動初步制備出的接觸式光纖微探頭旋轉一定的角度I以補償初步制備中出現的接觸式光纖微探頭偏心問題，最終在拉錐后的單模光纖端部得到球徑小、球度好、偏心小的微探球，由微探球與拉錐后的單模光纖構成接觸式光纖微探頭；整個燒制過程中，基于田口法合理配置的過程控制參數為光纖錐角處理方式、光纖端面距離放電電極中心線的距離、初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電電流強度、初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電時間和兩個階段的燒結次數。各過程控制參數的水平數是根據燒制光纖微探頭的經驗選取的典型數值。在田口法中，針對不同的光纖微探頭評價參數(二維直徑、圓度和偏心距)，利用信噪比(S/N)分析和方差分析來確定各過程控制參數的最優(yōu)組合條件和各過程控制參數對于評價參數影響的顯著度。例如:針對光纖微探頭的二維直徑，獲得最小二維直徑的過程控制參數的水平數組合方案是光纖錐角處理方式為去除錐角，光纖端面距離放電電極中心線的距離為130unit,初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電電流強度分別為3mA和1.5mA，初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電時間同為0.5s，初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的燒結次數分別為4次和3次。其中初步燒制中的放電電流強度對于光纖微探頭二維直徑的影響最為顯著。如圖1所示。圖1所示的實施例中，利用自制的光纖拉錐系統(tǒng)獲得直徑更細的光纖。利用光纖夾具2先將兩根除去涂覆層的單模光纖I對其固定，移動平臺4將兩根單模光纖以一定的方式靠攏，點燃酒精燈3使兩根單模光纖熔融，此時移動平臺4帶動熔融的單模光纖向反方向快速移動拉伸，從而形成雙錐體結構，使得光纖直徑變細。對拉錐后的單模光纖的端面進行處理后，即可進行接觸式光纖微探球的制備。如圖2所示。在圖2所示的實施例中，該裝置在商用光纖熔接機的基礎上，增加了微動三維平臺5、旋轉光纖夾具6。旋轉光纖夾具6對拉錐后的單模光纖7進行夾持固定后，利用微動三維平臺5將光纖準確地放入光纖熔接機的V型定位槽8中，通過光纖熔接機自帶的成像裝置找準光纖與放電電極9的位置，合理設置過程控制參數，蓋下壓板進行光纖微探球的燒制。每次燒制后，打開壓板，讓光纖旋轉一定的角度，然后繼續(xù)進行燒制。如此進行多次燒制，直到獲得質量較好的光纖微探球。如圖3所示。在圖3所示的實施例中，利用田口法(Taguchi method)合理地配置燒制過程控制參數，獲得一球徑小、球度好、偏心小的接觸式光纖微探頭。評定燒制光纖微探頭質量的方法:
由于燒制的光纖微探球很小，受限于分辨率等原因，傳統(tǒng)的測量球度方法不能應用。為了評價燒制探球的質量，我們利用光學顯微鏡對旋轉不同角度的光纖微探球進行二維的圖像采集，然后對其進行圖像處理，得到微探球的二維直徑、二維圓度和二維偏心距，進而利用這些參數參數來評價燒制的接觸式光纖微探球質量的好壞。如圖4所示。圖4所示為以二維直徑為評定參數,根據田口法(Taguchi method)進行過程控制參數優(yōu)化組合后，得到的光纖微探球不同角度截面二維直徑的數據結果。其中二維直徑擬合采用最小二乘法。結果顯示不同截面的二維直徑約為65 μ m。如圖5所示。圖5所示為以二維圓度為評定參數,根據田口法(Taguchi method)進行過程控制參數優(yōu)化組合后，得到的光纖微探球不同角度截面二維圓度的數據結果。其中二維圓度擬合同樣采用最小二乘法。結果顯示不同截面的二維圓度數值在0.6 μ m-0.7 μ m之間。如圖6所示。圖6所示為以二維偏心距為評定參數，根據田口法(Taguchi method)進行過程控制參數優(yōu)化組合后，得到的光纖微探球不同角度截面二維偏心距的數據結果。其中二維偏心距的擬合采用最小二乘法和最小包容區(qū)域法。結果顯示不同截面的二維偏心距，通過不同擬合方法得到的二維偏心距數值在0.43 μ m-0.65 μ m。
本發(fā)明不僅方法簡單，成本低廉，所制備的微探頭可為微納米三坐標測量機等三維幾何量測量儀器制備接觸式三維探頭，使這些儀器可實現高深寬比微結構的超精密機械零件、MEMS器件、超精密光學元件的真三維形貌測量。綜合考慮二維直徑、圓度和偏心距3個光纖微探球評價參數，合理配置燒制過程參數，可以得到二維截面直徑小于80 μ m、二維圓度小于I μ m、微探球與探桿之間的二維偏心距小于I μ m的接觸式光纖微探頭。
權利要求
1.一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:選用單模光纖材料制備接觸式光纖微探頭，首先采用光纖拉錐技術將單模光纖拉細，然后將拉錐后的單模光纖準確地放入光纖熔接機的V型定位槽中，使拉錐后的單模光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域內，利用光纖熔接機的電火花放電對拉錐后的單模光纖被拉錐部分進行初步燒制和優(yōu)化燒制，整個燒制過程中使拉錐后的單模光纖旋轉，以克服重力帶來的影響，從而在拉錐后的單模光纖端部得到球徑小、球度好、偏心小的微探球，由微探球與拉錐后的單模光纖構成接觸式光纖微探頭，初步燒制和優(yōu)化燒制的同時，基于田口法合理配置光纖熔接機初步燒制和優(yōu)化過程的過程控制參數。
2.根據權利要求1所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:采用光纖拉錐技術將單模光纖拉細的過程如下:將一對除去涂覆層的單模光纖分別置于兩移動平臺上，兩移動平臺可相向或反向滑動。
3.首先令兩移動平臺相向滑動，使兩根單模光纖相互靠攏至兩光纖端頭接觸，然后采用酒精燈使兩根單模光纖熔融為一體，接著使兩移動平臺分別帶動對應的單模光纖向相反方向快速移動，使熔融后的單模光纖被拉伸，在相互熔融的部分形成雙錐體結構，從而使得光纖直徑變細。
4.根據權利要求2所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:拉錐后的單模光纖直徑拉細至小于40 μ m的范圍內，使得最后獲得的接觸式光纖微探頭的微球球徑數值小于拉錐前單模光纖直徑數值。
5.根據權利要求1所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:采用微動三維平臺、旋轉光纖夾具，拉錐后的單模光纖由旋轉光纖夾具夾持固定，利用微動三維平臺將夾持有拉錐后的單模光纖的旋轉光纖夾具準確放入光纖熔接機的V型定位槽中，然后通過光纖熔接機自帶的成像裝置找準拉錐后的單模光纖位置，并根據拉錐后的單模光纖在V型定位槽中的位置將光纖熔接機的放電電極放置在合適的位置，使拉錐后的單模光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域內，最后利用光纖熔接機的放電電極電火花放電對拉錐后的單模光纖進行初步燒制和優(yōu)化燒制。
6.根據權利要求1或4所述的一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法，其特征在于:初步燒制過程中，利用旋轉光纖夾具帶動拉錐后的單模光纖按照固定的角度和方向周期旋轉，使初步制備出的接觸式光纖微探頭具有較理想的二維直徑和較好的二維圓度；優(yōu)化燒制過程中，利用旋轉光纖夾具帶動初步制備出的接觸式光纖微探頭旋轉一定的角度I以補償初步制備中出現的接觸式光纖微探頭偏心問題，最終在拉錐后的單模光纖端部得到球徑小、球度好、偏心小的微探球，由微探球與拉錐后的單模光纖構成接觸式光纖微探頭；整個燒制過程中，基于田口法合理配置的過程控制參數為光纖錐角處理方式、光纖端面距離放電電極中心線的距離、初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電電流強度、初步燒制和優(yōu)化燒制兩個階段的放電時間和兩個階段的燒結次數，各過程控制參數的水平數是根據燒制光纖微探頭的經驗選取的典型數值，在田口法中，針對不同的光纖微探頭評價參數，利用信噪比分析和方差分析來確定各過程控制參數的最優(yōu)組合條件和各過程控制參數對于評價參數影響的顯著度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖拉錐技術的接觸式光纖微探頭的制備方法。通過光纖拉錐技術，將單模光纖的直徑拉細至小于40μm的范圍內。然后將拉錐后的單模光纖準確地放入光纖熔接機的V型槽中，同時使光纖被拉錐部分置于光纖熔接機的放電區(qū)域。接著利用光纖熔接機對光纖拉錐部分進行加熱以燒制，同時均勻旋轉光纖，直至拉錐光纖的端頭熔化成高質量的微探球。在光纖燒制過程中，基于田口法合理設置光纖熔接機的過程控制參數，旋轉光纖使其克服重力帶來的影響，從而在拉錐光纖的端部得到一球徑小、球度好、偏心小的微探球，該微探球與拉錐光纖構成了接觸式光纖微探頭。
文檔編號G02B6/255GK103197380SQ201310103500
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權日2013年3月27日
發(fā)明者黃強先, 趙劍, 史科迪, 李志渤, 蔡學超, 余惠娟 申請人:合肥工業(yè)大學