摘要：为了得到光纤透镜抛光接触状态，依据接触力学理论, 建立了60度角光纤透镜抛光的接触力学模型，应用ANSYS接触分析技术和MATLAB数据图视功能，对光纤透镜抛光过程中光纤加工端与抛光垫的接触状态进行了分析。分析结果表明补偿角、光纤夹持伸出长度和抛光垫弹性模量不仅影响到光纤透镜抛光接触区域的形式，也同时影响接触压强的分布状态。外加位移载荷对接触形式影响不大，但对接触压分布影响较大。

　　关键词：抛光，光纤透镜，接触压强分布

　　中图法分类号: TP391.9　文献标识码: A

Abstract: In order to obtain the contact state of optical fiber lens polishing pad, a physical model on polishing optical fiber lens with 60 degree angle is established based on contact mechanics theory, and with the help of the contact analysis technology of ANSYS and visual function of MATLAB, the contact state between polishing pad and optical fiber lens is analyzed when optical fiber lens is polished. The calculating results show that compensation α for deflection angle, fiber clamping extended length and the elastic modulusof the polishing pad not only affect the contact area form between optical fiber lens and polishing pad but also do the contact pressure distribution, applied displacementaffects the contact area form little ,but does the contact pressure distribution much .

　　Keywords: Polishing, Optical Fiber Lens, Contact Pressure Distribution

　　0引言

　　光纤透镜是光纤通讯和光纤传感的一个重要的器件，它对于提高光耦合效率和长距离信号传输中的信号衰减起到关键的作用，其制造质量直接影响其使用效能的发挥 [1-6]。光纤透镜是指在光纤端面制造出的能够达到光路模式转换作用的几何型面，其主要形状有斜面透镜、锥面透镜、楔形透镜、球形透镜和相应几种型面的组合的透镜。光纤透镜的加工方法有研磨抛光法、熔拉法和蚀刻法。光纤透镜研磨抛光法是目前加工光纤透镜的主要方法，适合于加工各种形状的光纤透镜制造[1-3]。虽然研磨抛光法制造光纤透镜的设备在日本和美国已经有商品化样机出售[3],，但其制造的理论研究仍是一个热点问题。在我国，对光纤透镜抛光理论和制造装备的研究仍然处于起步阶段，而对于光纤透镜抛光接触状态的研究比较少[6-10]。在光纤透镜的研磨抛光过程中透镜与抛光垫的接触状态直接影响到光纤透镜的成形精度，而成形精度直接影响到耦合效率，因此，研究不同情况下光纤透镜抛光过程中光纤抛光端与抛光垫的接触状态有重要的科学意义。

　　1光纤透镜抛光加工

　　图1是光纤透镜抛光加工的示意图。抛光垫粘贴在抛光盘上，抛光盘进行复合旋转运动。光纤被安装在夹具上，随光纤夹具运动并施加位移载荷。光纤绕y轴转动调整光纤透镜加工角度，绕x轴转动可以调整分度，沿z轴配合光纤夹具运动，使光纤端与抛光垫接触，并施加抛光压力，实现透镜的抛光[10]。

在实际加工过程中，光纤在外加位移载荷的作用下会产生弯曲变形，加工端面会因光纤的弯曲变形而产生一定的偏转角，光纤端面尖端会翘起，不能与抛光垫接触，如图2所示。因此，必须对这个偏转角进行补偿，来避免这种情况。为了便于研究问题，把光纤的变形当作悬臂梁来处理，依 图2光纤端面偏转

Figure 2 Fiber-end deflection b) 加载后 尖端 末端 a) 加载前 尖端 末端 尖端 末端 c) 补偿后 d) 端面偏转

据材料力学理论，可以由，，计算偏转角，式中为外加位移载荷，为光纤夹持伸出长度，为光纤的弹性模量，为光纤的截面转动惯量。 图1光纤抛光加工示意图

Figure 1 Schematic diagram of optical fiber polishing process 光纤夹具 抛光垫 抛光盘 光纤 Z Z X Y

在实际抛光中，把偏转角作为补偿角的基准，来追加不同的补偿角。在光纤透镜的抛光过程中，光纤端与抛光垫的接触状态包括：接触区域是完全接触的，还是局部接触的;接触压强分布是否是均匀的。为了得到成形精度比较高的光纤透镜，期望接触区域为完全接触，接触压力场比较均匀，即接触压力最大值和最小值的偏差尽量小。

　　2创建模型

由于光线透镜的抛光运动在一个周期内是均匀对称的，由接触力学理论可知，在远离接触点的区域接触压力为零，所以建立图3所示的接触物理模型和ANSYS模型;实际加工中，存在摩擦力，结构是非对称结构，因此，可以不考虑摩擦力的效应。为了节省计算资源，加快计算速度，创建模型[11]。

　　图3 光纤透镜抛光接触模型

Fig. 3 Contact model for polishing optical fiber lens (1) 物理模型 (2) 有限元模型 光纤 抛光垫 研磨盘 抛光垫 研磨盘 光纤

　　3计算结果与分析

在实际加工中，光纤是直径为φ125，加工端面与光纤中轴线有一60度角，呈椭圆形，同时绘制椭圆端面压强分布三维图，以及椭圆长轴压强分布二维图来分析问题。补偿角、外加位移载荷、光纤夹持伸出长度、抛光垫弹性模量都是可以直接控制的加工参数。因此，需要研究四个加工参数对接触状态的影响。

3.1补偿角的影响在，， 的情况下，计算出不同补偿角的条件下如图4所示的接触状态。