基于自組裝原理的四芯光纖光柵微尺度測量探針制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于自組裝原理的四芯光纖光柵微尺度測量探針制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)以及尖端工業(yè)等的不斷發(fā)展，對于精密微小構(gòu)件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測微小構(gòu)件遮蔽效應(yīng)的限制以及測量接觸力的影響，微小構(gòu)件尺度的精密測量越來越難以實(shí)現(xiàn)，尤其是測量微小內(nèi)腔構(gòu)件的深度難以提高，這些已然成為制約行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。為了實(shí)現(xiàn)更小尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細(xì)長的探針深入微小構(gòu)件的內(nèi)腔進(jìn)行探測，通過瞄準(zhǔn)發(fā)訊的方式測量不同深度上的微小內(nèi)尺寸。因此，目前微小構(gòu)件尺寸的精密測量方法主要以坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)合瞄準(zhǔn)觸發(fā)式探針的探測方式為主，由于坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，可以提供精密的三維空間運(yùn)動，因此瞄準(zhǔn)觸發(fā)式探針的探測方式成為微小構(gòu)件尺寸探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而且，光纖光柵探針以其傳感器與測量系統(tǒng)分立的優(yōu)點(diǎn)，可以完全克服遮蔽效應(yīng)，突破測量深度對探針的限制，同時光纖光柵探針兼具小型化、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制作微尺度測量探針。
[0003]目前，基于光纖光柵設(shè)計(jì)的微尺度測量探針包括以下幾種:
[0004]2011年，中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔繼文教授和楊福鈴等人提出了一種基于FBGBending的微孔尺寸測量裝置及方法，該方法利用光纖光柵探針和光源、檢測裝置構(gòu)成瞄準(zhǔn)觸發(fā)系統(tǒng)，配合雙頻激光干涉儀測長裝置，可以獲得不同截面的微孔直徑。該方法的光纖光柵探針觸測變形時，探針的主要應(yīng)力不作用于光纖光柵上，系統(tǒng)的分辨率很低、不具有三維測量能力，性能難以進(jìn)一步提高。
[0005]2014年，中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔繼文教授和馮昆鵬等人提出了基于多芯光纖光柵的微尺度測量裝置及方法，該方法設(shè)計(jì)了特殊的多芯光纖光柵探針，使探針在與工件觸測過程中產(chǎn)生的應(yīng)力充分作用于光纖光柵上，較之前的基于FBG Bending的微孔尺寸測量裝置及方法的探測分辨力有很大的提高；而且，不同的多芯光纖纖芯分布結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)二維、三維測的解耦，具有良好的測量性質(zhì)。但是，該方法在特殊的多芯光纖上刻寫光纖光柵，一方面，多芯光纖刻寫過程中會帶來纖芯和纖芯間的刻寫串?dāng)_問題；另一方面，購買的多芯光纖制作探針導(dǎo)致探針結(jié)構(gòu)參數(shù)不能自主設(shè)計(jì)。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有的基于光纖光柵設(shè)計(jì)的微尺度測量探針中，多芯光纖光柵探針以其分辨力高、多維測量解耦的特點(diǎn)被廣泛關(guān)注，具有很好的應(yīng)用前景，但是現(xiàn)有的多芯光纖光柵探針主要存在以下問題:
[0007]1.考慮多芯光纖光柵探針的制作成本問題，多芯光纖只能選用光纖生產(chǎn)廠家的特有型號，不能根據(jù)測量要求設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的多芯光纖以用來制作多芯光纖光柵探針。
[0008]2.在制作多芯光纖光柵探針時，需要利用準(zhǔn)分子激光相位掩膜法在多芯光纖上刻寫光纖光柵，多芯光纖的纖芯距只有幾十微米，在一根多芯光纖的纖芯上刻寫光纖光柵時會影響臨近纖芯，產(chǎn)生刻寫串?dāng)_，最終制成的多芯光纖光柵探針，各個纖芯中的光纖光柵反射率低且光譜扭曲嚴(yán)重，嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性。
[0009]3.多芯光纖光柵探針在使用時，需要獲取多芯光纖內(nèi)每根纖芯內(nèi)光纖光柵的反射光譜，因此每個多芯光纖光柵探針需要安裝一個多芯光纖扇出接頭實(shí)現(xiàn)多芯光纖每根纖芯與外部單模光纖的耦合，但是這種接頭價格高昂、光損耗大，不適合多芯光纖光柵探針在微尺度測量中的推廣、應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是解決多芯光纖光柵探針應(yīng)用中多芯光纖結(jié)構(gòu)受生產(chǎn)廠家限制、刻寫串?dāng)_以及扇出接頭光損耗大的問題，提出了一種基于自組裝原理的四芯光纖光柵微尺度測量探針制作方法，采用自組裝的方式將刻寫光纖光柵后的普通單模光纖制成四芯芯光纖光柵微尺度測量探針，并且可以根據(jù)測量需求，設(shè)計(jì)四芯光纖光柵微尺度測量探針的結(jié)構(gòu)，而且采用該方法保證了制成的四芯光纖光柵微尺度測量探針每個信道與一根普通單模光纖連接，無需扇出接頭，達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、光譜信號好、光損耗小，成本低的目的。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于自組裝原理的四芯光纖光柵微尺度測量探針制作方法，所述方法包括以下步驟:
[0012](I).減小刻寫光纖光柵后的單模光纖直徑
[0013]取四根長度為100?100mm刻寫光纖光柵后的單模光纖，光纖光柵柵區(qū)處于刻寫光纖光柵后的單模光纖的一端30?50mm的位置，光纖光柵柵區(qū)長度為10?20mm，將刻寫光纖光柵后的單模光纖靠近光纖光柵柵區(qū)的末端長度為50?80mm部分的涂覆層剝除，之后采用機(jī)械處理的方法減小刻寫光纖光柵后的單模光纖剝除涂覆層部分的直徑:將刻寫光纖光柵后的單模光纖拉直，兩端固定在同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)的固定裝置上并且使將刻寫光纖光柵后的單模光纖的轉(zhuǎn)動軸線與同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸線重合，在刻寫光纖光柵后的單模光纖轉(zhuǎn)動軸上方裝有一個包裹研磨片的轉(zhuǎn)輪，包裹研磨片的轉(zhuǎn)輪靠近并接觸刻寫光纖光柵后的單模光纖并沿刻寫光纖光柵后的單模光纖在剝除涂覆層部分反復(fù)勻速運(yùn)動，進(jìn)行磨削，同時采用顯微觀察系統(tǒng)檢測刻寫光纖光柵后的單模光纖剝除涂覆層部分的直徑，當(dāng)刻寫光纖光柵后的單模光纖剝除涂覆層部分的直徑減小至50?100 μπι時，停止磨削；用光纖切割刀將直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖上的光纖光柵柵區(qū)之后30?50mm的單模光纖切去，使光纖光柵柵區(qū)處于直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖的末端，并保光纖光柵柵區(qū)長度為5?10mm，之后放置于裝有無水乙醇的超聲清洗機(jī)中洗滌5?20分鐘；
[0014]⑵.四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖的自組裝
[0015]準(zhǔn)備長度10?30_、一端有內(nèi)錐角、內(nèi)徑為(50?100 μπι) X3+(I?5) μπι的細(xì)管，將第(I)步處理后四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖從細(xì)管一端的內(nèi)錐角插入，保證四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖端部平齊且超出細(xì)管一端5?1mm;豎直固定細(xì)管并將超出細(xì)管一端的四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖浸沒在裝有粘度小于10cp的紫外膠的玻璃杯中3?6mm，在毛細(xì)作用力下低粘度紫外膠沿著四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖向上運(yùn)動，并使四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖緊緊靠近形成最緊湊的正方形結(jié)構(gòu)，對四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖進(jìn)行自組裝；5?15分鐘后，將細(xì)管和其中自組裝后的四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖從紫外膠中取出，保證自組裝后的四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖不發(fā)生錯位，并用紫外膠固化光源對超出細(xì)管一端自組裝后的四根直徑減小后的刻寫光纖光柵后的單模光纖照射I?10分鐘完成紫外膠固化，形成四芯光纖光柵；爾后，在細(xì)管一端的內(nèi)錐角處滴入熱固化膠并填滿內(nèi)錐角，將插有四芯光纖光柵的細(xì)管放在50?180°C恒溫電加熱器上加熱10?60分鐘，使細(xì)管一端的內(nèi)錐角中的熱固化膠固化；
[0016](3).四芯光纖光柵的端面研磨
[0017]將第(2)步中插有四芯光纖光柵的細(xì)管固定在光纖研磨機(jī)上，調(diào)整細(xì)管高度，使四芯光纖光柵與光纖研磨機(jī)上的研磨片接觸，之后按照FC/PC光纖接頭的研磨方式對其端面進(jìn)行研磨，并用端面觀察裝置確認(rèn)平整、無裂痕和殘缺，停止四芯光纖光柵的端面研磨并用蘸有酒精的無塵紙將端面擦拭干凈；
[0018](4).端面研磨后的四芯光纖光柵端部球形針尖制作
[0019]熔融光纖法:將第(3)步中端面研磨后的四芯光纖光柵上端的細(xì)管豎直固定，調(diào)節(jié)細(xì)管高度使端面研磨后的四芯光纖光柵下端處于電火花加工機(jī)兩根放電電極針尖中心下方0.5?3mm位置，調(diào)節(jié)電火花加工機(jī)的放電時間和放電電流，利用電火花放電產(chǎn)生的熱量將端面研磨后的四芯光纖光柵下端0.5?3_的光纖熔化，利用重力和熔融光纖的表面張力形成一個良好的光纖球，待其冷卻后在端面研磨后的四芯光纖光柵下端形成一個光纖球形針尖，完成端面研磨后的四芯光纖光柵端部球形針尖的加工；在電子顯微鏡下對光纖球形針尖加工質(zhì)量進(jìn)行檢定，要求光纖球針尖與端面研磨后的四芯光纖光柵的同軸度小于5 μπκ光纖球無氣泡和破損、光纖球直徑和端面研磨后的四芯光纖光柵直徑之比大于或等于1.2，挑選合格的四芯光纖光柵探針，完成四芯光纖光柵探針的制作。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0021]1.采用刻寫光纖光柵后的單模光纖制作