用自聚焦透镜作平行光束

光纤准直器的结构与参数

•光纤准直器是光无源器件中的一个重要的组件，在光通信系统中有着非常普遍的应用。

它是由单模尾纤和准直透镜组成，具有低插入损耗，高回波损耗，工作距离长，宽带宽，高稳定性，高可靠性，小光束发散角，体积小和重量轻等特点。

可将光纤端面出射的发散光束变换为平行光束，或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤，是制作多种光学器件的基础器件，因此被广泛应用于光束准直，光束耦合，光隔离器，光衰减器，光开关，环行器，ＭＭ，密集波分复用器ＥＳ之中。

目录•光纤准直器的装配光纤准直器的结构与参数•光纤准直器的结构参数如图5 所示，因光纤头端面的8 度斜角，造成输出光束与准直器轴线存在夹角θ，称为点精度。

图6 所示为两准直器的理想耦合情况，二者的输出光场完全重合，其间距为准直器的工作距离Zw。

准直器输出高斯光束的束腰距离其端面Zw/2，束腰直径为2ωt，而高斯光束的发散角与其束腰直径成反比关系。

到此我们介绍了光纤准直器的三个主要参数：工作距离、点精度和光斑尺寸。

光纤准直器的原理•光纤准直器的基本原理是，将光纤端面置于准直透镜的焦点处，使光束得到准直，然后在焦点附近轻微调节光纤端面位置，得到所需工作距离，因此准直器的工作距离与光纤头和透镜的间距L相关。

光纤准直器的设计方法是，根据实际需求确定准直器的工作距离，依据高斯光束传输理论，确定光纤头和透镜间距L并计算光斑尺寸，然后依据光线理论计算准直器的点精度。

光纤准直器的优点•低插损、高回损、尺寸小工作距离长、宽带宽高稳定性、高可靠性光纤准直器的装配•(1)采用斜端面插针耦合,可大大提高光纤准直器的回波损耗,当斜面倾角为8°01%增透膜时,光纤准直器的时,光纤准直器的自聚焦透镜后端面镀反射率为0.回波损耗可达60dB。

采用斜端面插针耦合,主要是为了满足器件高回波损耗的求,角度越大,准直器的回波损耗越大。

但插针的端面角度越大,准直器的插入损耗就会越大(要求是:插入损耗越小越好,回波损耗越大越好),这和准直器要求的低插入损耗矛盾,对于准直器插入损耗而言,透镜和毛细管是垂直端面最为理想。

zemax自聚焦透镜设计

目录摘要 (I)Abstract .......................................................................................................................................... I I 绪论 . (1)1 自聚焦透镜简介 (2)1.1自聚焦透镜 (2)1.2 自聚焦透镜的特点 (2)1.3 自聚焦透镜的主要参数 (3)2 自聚焦透镜的应用 (4)2.1 聚焦和准直 (4)2.2 光耦合 (5)2.3 单透镜成像 (6)2.4 自聚焦透镜阵列成像 (6)3 球面自聚焦透镜设计仿真 (8)3.1 确定透镜模型 (8)3.2 设置波长 (8)3.3数值孔径设定 (9)3.4 自聚焦透镜光路 (9)4 优化参数 (10)4.1光线相差分析 (10)4.2聚焦光斑分析 (12)4.3 3D模型 (12)结束语 (13)致 (14)参考文献 (15)摘要本文主要说明应用梯度折射率对光传播的影响分析设计自聚焦透镜（GRIN lens），自聚焦透镜主要应用于光纤传输系统中。

自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。

利用此特性，G-lens 在光纤传输系统中是构成准直、耦合、成像系统的主要部分。

而它结构简单，体积小的特点更适用于小型光学器材中，例如窥镜系统。

关键词：梯度折射率，自聚焦，光耦合，准直AbstractThis article main showing the impact analysis designs the self-focusing lens using the gradient refractive index to the light emission (GRIN lens), the self-focusing lens mainly apply in the optical fiber transmission system. The self-focusing lens lie in with the ordinary lens' difference, the self-focusing lens material can cause along the axial transmission light to have the refraction, and causes the refractive index the distribution to reduce gradually along the radial direction, thus realizes the exit ray by smooth and the continual gathering to a spot. Using this characteristic, G-lens in the optical fiber transmission system is the constitution collimation, the coupling, imaging system's main part. But its structure is simple, the volume small characteristic is suitable in the small optics equipment, for example looking glass system.Keywords:Gradient index, GRIN lens, Light coupling,Collimation绪论自聚焦透镜体积小，重量轻，具有准直和聚焦作用，且耦合效率高。

高斯光束转平行光

高斯光束转平行光高斯光束，一种常见的激光束形状，可以通过两种主要方式转化为平行光，即使用透镜和平面反射镜。

第一种方法是使用透镜。

透镜是一种至关重要的光学元件，它在各种光学系统中发挥着核心作用。

它拥有一种神奇的能力，那就是聚焦光线，将平行或发散的光线聚集到一个点上，这个点就被称为透镜的焦点。

在各种应用中，如显微镜、望远镜、相机等，透镜都发挥着关键作用。

当高斯光束这类具有特定形状和传播方向的光线通过透镜时，透镜会对其产生影响，使光线聚焦到一点上。

这个过程是自动的，无需外部干预。

正是由于这种聚焦作用，我们能够将高斯光束转化为平行光。

这一特性使得透镜在各种光学系统中扮演着重要角色，帮助我们更好地理解和利用光线。

透镜的设计和制造需要精确的工艺和科学的技术，以确保其聚焦光线的准确性和稳定性。

这也意味着透镜的质量和性能对于光学系统的整体性能有着直接的影响。

因此，对于从事光学研究的科学家和工程师来说，理解和掌握透镜的基本原理和应用是非常重要的。

另一种方法是使用平面反射镜。

平面反射镜是一种常见的光学元件，其特殊的功能在于能够将光线反射回原点。

当光线照射到平面反射镜上时，它会使光线以相同角度反射回去，而不会改变光线的方向。

因此，平面反射镜可以用来将高斯光束转化为平行光。

在实际应用中，为了实现这一转化过程，通常需要两个反射镜。

因为一个反射镜只能将光线从一个方向反射，而无法将光线完全转化为平行光。

然而，当两个反射镜结合在一起时，它们可以相互协作，使光线经过两次反射后，以与原始光线不同的方向反射出去，从而实现将高斯光束转化为平行光的目标。

此外，平面反射镜的制造工艺也相对简单，因此它们在光学系统中得到了广泛的应用。

例如，在激光器、望远镜、显微镜等光学仪器中，平面反射镜都发挥了重要的作用。

同时，由于其可靠性和稳定性，平面反射镜也是各种需要精确控制光线路径的领域中的理想选择。

在光学领域，高斯光束的转换是一个非常重要的操作，它关乎到最终光束的质量和应用的准确性。

利用自聚焦透镜工作特性单点精确测量聚焦常数

７周自刚，何国田，刘德森，等．铊玻璃自聚焦透镜的两步离子交换分辨率测量．光子学报，１９９８；２９（ｚ１）：６８—７０
８程科华，程多思．自聚焦透镜准直应用的长度计算与试验．光子学报，２０００；２１，（２）：１４６一１５１
９种兰祥，张纪岳．高斯光束在任意分布的径向梯度折射率介质中传输的计算方法．光子学报，２００１；２３，（１）：８ｌ—８５
折射率梯度棒制作成的自聚焦透镜在微型光学系统、医用内窥镜、光复印机等方面有广泛的应用，特别是在光纤通信系统中，用它可做连接器、耦合器、衰减器、多位开关、波分复用器等多种无源器件。折射率分布常数是自聚焦透镜的重要参数之一。为了准确而又简便地测出折射率分布常数￣／Ａ，目前已研究出了多种方法，如：聚焦法、干涉法等。这些方法各有特点，但它们基本上是通过测量自聚焦透镜沿径向各点的折射率而得到折射率分布常数，这些方法均要求较高的试验条件和较复杂的数据处理，不能满足在生产线上大量测量的要求，而且一般操作员工不易掌握。本文在分析了以上各种测试方法后，根据自聚焦透镜工作特性，提出了一种测量自聚焦透镜折射率分布常数的简单实用的方法——自准直反射法。
１．５８６．计算８Ｚ与厶关系．分析结果如图２。
图２８。与￡：关系
节长
Ｐ０．２４８０．２４０．２３０．２２Ｏ．２ｌ
表１修正系数盯
透镜长度
ｚ／ｎｌｌｎ
后截距
Ｚ．／ｌＩｌｌＩｌ
正值８∥ｍ１１１
４．７８６
Ｏ．０２
０．０１２
修正系数
盯０．６
４．６２７
０．１２
０．０７３
０．６０８
４．４３４
（）．２４
４－１×１０。３时，儿。的不确定度为±１×１０～，不能作为生产实践的指导性公式，而只能作为验证性公式。

激光与光纤耦合技术

图 2.7 等效接收角与光纤孔径角的关系曲线
柱透镜耦合要求所选用的柱透镜直径要和光纤纤芯直径相当，而且要求激光器、柱透镜、光纤三者的相对位置要极其精确，才能获得较高的耦合效率。 2、自聚焦透镜耦合自聚焦透镜是一种与常规透镜不同的小型透镜，实际上是一段梯度光纤，故又称 GRIN 透镜。自聚焦透镜的聚光能力是依靠折射率的渐变分布实现的，透镜的焦距由透镜的长度决定。因此，自聚焦透镜的加工简单，其端面只需研磨成平面，外形尺寸较小，且数值孔
7
径较大，适用于狭小空间。理想情况下，自聚焦透镜的折射率分布是双曲正割型，因而可以完全消除透镜的球差。但由于制造工艺的影响，很难形成理想的双曲正割型折射率分布，而平端自聚焦透镜的球差仍很严重，会聚光斑较大，采用这种自聚焦透镜的耦合系统的耦合损耗大于 3dB。作为改进，将前端研磨成球面的平凸自聚焦透镜系统可以提高透镜的数值孔径，并补偿折射率分布，从而使耦合损耗降低到 2dB。若对前端的形状进行优化，可以得到 ldB 的耦合损耗。但由于平凸自聚焦透镜系统的优化需要精密的测量手段和复杂的计算，透镜的光学加工需要小曲率球面的精密研磨，这使制造难度和成本增加，因而不适用于批量生产。自聚焦透镜耦合就是首先让激光进入一段自聚焦光纤 (GRIN lens)，即折射率参数为 2 的梯度型折射率光纤，光束强烈的聚焦后，再耦合进光纤中进行传输。自聚焦光纤的折射率在径向的分布符合下式 :
《光纤通信》课程论文
激光与光纤耦合原理与损耗分析
摘要：
本文首先对激光与光纤的耦合方式进行了介绍，对一些耦合方式做了较为详细的分析，并给出了理论表达式与计算结果。其后对耦合的三种机械损耗进行了分析与计算，并给出了分析结果。
关键词：
激光光纤耦合方式损耗分析

光无源器件常见类型

就是不含光能源的光功能的器件，是光纤通信设备的重要组成部分，也是其它光纤应用领域不可缺少的元器件。

因其具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点，广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等领域。

光无源器件在光路中都要消耗能量，插入损耗是其主要性能指标。

光无源器件包括光纤连接器、光开关、光衰减器、光纤耦合器、波分复用器、光调制器、光滤波器、光隔离器、光环行器等。

它们在光路中分别可实现连接、能量衰减、反向隔离、分路或合路、信号调制、滤波等功能。

光无源器件有很多种，本文将讲述常用的几种—光纤衰减器、光纤环形器、光纤准直器、光纤隔离器、光纤传感器、光纤合束器和光纤起偏器。

光纤衰减器是一种非常重要的纤维光学无源器件，是光纤CATV中的一个不可缺少的器件。

从市场需求的角度看，一方面光衰减器正向着小型化、系列化、低价格方向发展。

另一方面由于普通型光衰减器已相当成熟，光衰减器正向着高性能方向发展，如智能化光衰减器，高回损光衰减器等。

到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。

任何光纤系统传输数据的能力取决于接收器的光功率，如下图所示，其显示了接收光功率作用下的数据链路误码率。

（误码率是信噪比的倒数，例如误码率越高表示信噪比的信号越低。

）无论功率过高或者过低都会导致较高的误码率。

功率过高，接收放大器饱和，功率过低，可能会干扰信号产生噪音等问题。

光纤衰减器主要用于调整光功率到所需标准。

光纤环形器光纤环形器为非互易设备，只能沿单方向环行，反方向是隔离的。

光纤环形器除了有多个端口外,其工作原理与光纤隔离器类似,也是一种单项传输器件,主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中。

光纤准直器光纤准直器由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成。

它可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。

适用于扩展以及校准光纤端的输出光束，或耦合两光纤光束的装置。

自制透镜变光线束的原理

自制透镜变光线束的原理
透镜是一种光学元件，可以根据其形状和折射特性对光线进行聚焦或发散。

在光线束中，透镜可以通过调节其形状或曲率来改变光线的传播方向、角度和强度。

透镜变光线束的原理基于透镜的两个主要属性：焦距和折射率。

焦距是透镜的中心区域，通过它可以控制光线的聚焦效果。

折射率是透镜的材料特性，它决定了光线在透镜内传播时的折射程度。

当一个光线束通过透镜时，不同的光线在透镜内部被折射的程度不同。

这导致光线束在透镜的出射端发生聚焦或发散。

具体来说，如果透镜是凸透镜，即边缘部分较薄，中心部分较厚，则光线束会聚焦在透镜的焦点上；如果透镜是凹透镜，即中心部分较薄，边缘部分较厚，则光线束会发散出去。

通过调节透镜的形状、曲率或改变材料的折射率，可以实现对光线束的聚焦或发散效果的控制。

这对于很多应用来说是非常有用的，例如用于调整激光束的直径、调节投影仪或摄影机的焦距等。

总结起来，自制透镜变光线束的原理是利用透镜的凸凹形状和折射特性，通过调节其曲率或改变材料的折射率来改变光线束的传播方向、角度和强度。

准直透镜原理

准直透镜原理准直透镜是一种能够将光束变得平行的光学器件，它在物理学、光学和工程学等领域中起着重要的作用。

准直透镜的原理是利用透镜的形状和光的折射规律，将散射的光线聚焦成平行的光束。

本文将详细介绍准直透镜的原理及其应用。

准直透镜的原理基于光的折射现象。

当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象。

根据斯涅尔定律，光线在两种介质中传播时，入射角和折射角之间满足一个特定的关系。

利用这一原理，准直透镜能够将散射的光线通过透镜的折射作用，使其变得平行。

准直透镜通常由两面球面透镜组成，其中一面是凸透镜，另一面是凹透镜。

凸凹透镜的组合能够使光线在经过透镜时发生折射，从而实现准直的效果。

当散射的光线通过凸透镜进入凹透镜时，会发生第二次折射，使光线变得平行。

准直透镜的应用非常广泛。

在天文学中，望远镜通常使用准直透镜来将远处的星体的光线聚焦成平行光束，以便更好地观测和研究。

在激光技术中，准直透镜可以用来将激光束变得平行，以便进行精确的测量和切割。

此外，在光纤通信和光学传感器等领域，准直透镜也起着重要的作用。

准直透镜的原理和应用虽然简单，但却具有重要的意义。

它为我们提供了一种有效的方法来控制和利用光线，使光学设备的性能得到改善。

通过准直透镜，我们能够将散射的光线聚焦成平行光束，可以更好地进行观测、测量和切割等工作。

准直透镜是一种利用透镜的折射作用将散射的光线聚焦成平行光束的光学器件。

它的原理基于光的折射现象，通过透镜的形状和折射规律，能够实现光线准直的效果。

准直透镜在天文学、激光技术、光纤通信等领域都有重要的应用，为我们提供了一种有效的方法来控制和利用光线。

通过深入了解准直透镜的原理和应用，我们能够更好地理解光的性质和光学设备的工作原理。

准直器型光纤旋转连接器的耦合分析与研究

准直器型光纤旋转连接器的耦合分析与研究作者：赵晖王忠强马乙文戴阳来源：《今日自动化》2020年第05期[摘要]本文以准直器型光纤旋转连接器作为研究对象，简要介绍了单通道/多通道两种光纤旋转连接器的结构特征与工作原理，针对角度偏差、离轴偏差和轴向偏差三种耦合损耗情况进行详细分析，并结合耦合损耗对插损的影响设计了三类偏差值的具体优化分配方案。

研究结果表明，需将准直器型光纤旋转连接器的角度偏差控制在0.07°范围内、离轴偏差限制在0.01 mm以内、工作距离不超过10 mm，基于上述指标生产出的样品插损率低于2 dB、插损变化量不超过1 dB，能够为光纤旋转连接器性能优化与产能提升提供参考价值。

[关键词]准直器;光纤连接;耦合误差[中图分类号]TN253;TJ03 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03Coupling Analysis and Research of Collimator Type Optical Fiber Rotary ConnectorZhao Hui， Wang Zhong-qiang， Ma Yi-wen， Dai Yang[Abstract]This paper takes collimator type optical fiber rotary connector as the research object，briefly introduces the structural characteristics and working principle of single channel / multi-channel optical fiber rotary connector， analyzes the coupling loss of angle deviation， off-axis deviation and axial deviation in detail， and designs the specific optimal allocation scheme of three kinds of deviation values according to the influence of coupling loss on insertion loss 。

自聚焦平板波导透镜及其应用

第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月、，01．35Suppl em ent hl行a r ed and Las er E ngi ne er i ng O ct．2006自聚焦平板波导透镜及其应用刘德明，阎嫦玲，鲁平(华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北武汉430074)摘要：介绍了一种新颖的自聚焦平板波导透镜(s冈儿)，利用几何光学方法分析了它的光学特性，得出其传输矩阵，并进行了特殊的结构设计。

介绍了实际制备这种透镜的工艺过程，并给出了光纤输出光束经1，4节距的自聚焦平板波导透镜之后输出的近场和远场光斑图，测试结果表明自聚焦平板波导透镜输出近场光斑在x—z平面内束宽为1153．3岫，与根据传输矩阵计算得出的束宽l153．2“m相符；最后介绍了自聚焦平板波导透镜的三种应用实例：LD阵列和光纤的耦合、s O A与单模光纤的耦合、光功率分束器和直波导阵列波导光栅。

关键词：自聚焦平板波导透镜；耦合；阵列波导光栅中图分类号：田屹56文献标识码：A文章编号：1007—2276(2006)增E．0084．07AnoV el s el fl oc pl ana r w aV egui de l ens and i t s appU ca t i ons●●-■1●l n l l br e ar r ay coupl l ngL—I U De—IIl i ng，1ⅫChang-l i Il g，LU Pi ng(hst i n他0f ol't od吲慨i csSc i∞∞andEngi neeri ng，H uazhonguIl i V e璐时ofSci en∞柚d伽hnol ogy．w uh锄4300r74。

al i l Ia)A bs咖ct：A∞V el sel五0c pl锄arw a vegui de1e ns(SPW L)，w l l i c h c衄be w i del y us ed as a coup l i ng l ens f or m e fi bre ar r ay，i s i11m)d uced i Il tl li s p印er_Fi r st i ts opt i c pr op er t y is anal yzed w i t l l r ay opt i c s and i ts r ay t m ci ng m at ri x is gai ned．N ext t11e s el fbc pl aI l ar w a V egui de I ens’s pra ct i c al f abri ca t i on process is de m onsm l t ed．Then a beaI I l nom a m ul t i m ode f i be r i s coupl ed i nt o a s el f oc p1锄ar w a ve gui de1ens0．25pi t ch10ng and pi ct ures O f t he f a r fi el d and ne ar f i e l d of t l le O ut put be锄ar e pr es ent ed；and t he、玩dt l l of t lle out put bea m’s ne ar f i e l d i n工一z pl ane i s m ea sur ed t o be1 153．3似n，w l l i ch i s c l ose t o m e com p ut at i on V al ue1153．2¨m a ccor di I l g t o i ts ra【y t m ci ng m a t ri x．F i nal l y’s e ver a l ex锄pl es of t he sel f i D c pl an ar w a V egui de l ens’s appl i cat i on：SoA and s i ngl e nl ode f i be r coupl i ng，L D ar r a y and6ber c O upl i ng，opt i c al pow er spl i t t er aI l d unb ent w a V e gui de A W G，a r e proposed．K ey w or ds：Sel五D c pl粕ar w a ve gui de kns；C0upl er；加rayed w aveg I l i de gral【i ng(AⅣG)0育由图1知，自聚焦平板波导透镜的芯层折射率在)，方向为均匀分布，而在工方向为抛物线分布，可知控制收疆日期：2006．08_08基金项目：国家自然科学基金项目(60477027)作者简介：刘德明(1957．)，男，湖北随州人，教授，博士，主要从事光电子器件与系统应用等的研究。

制作平行光源的原理和方法

制作平行光源的原理和方法
平行光源是一种产生平行光的光源，其原理是通过将光源放置在无限远处，使得来自光源的光线在到达被照明物体之前几乎是平行的。

有几种方法可以制作平行光源：
1. 焦点光源：使用凹透镜或反射镜将光线聚焦在一点上，然后在点上放置被照明物体。

此时，从点发出的光线将几乎是平行的。

2. 平行光模拟器：使用聚光灯或特殊之光源模拟出平行光。

聚光灯通过将光线聚焦在一个较小的区域上，使得来自该区域的光线几乎是平行的。

3. 线光源：使用线形光源，如线形LED光源或荧光灯管。

将线光源放置在足够远处，并将其长度调整为足够长，以便从任何方向观察时都可以认为光线是平行的。

4. 折射光学：使用透镜或棱镜将来自点光源的光线折射成平行光。

通过调整光线通过的透镜或棱镜的形状，可以调整平行光的发散程度。

需要注意的是，制作真正的平行光源是不可能的，因为光不可能完全平行。

所以上述方法只是近似的模拟平行光源，并尽可能使得光线接近平行。

单纤如何双向传播

单纤双向与单纤三向都是通信中用到的传输技术，目前单纤双向技术较为成熟，单纤三向传输技术在不断完善与发展。

掌握了单纤双向技术有助于了解单纤三向新技术。

单向双向收发组件是将MQW-TO-LD光源、TO-PIN-TIA（跨阻抗放大器）探测器、分光片、光纤等零部件用同轴耦合工艺全部集成组装于一体。

单纤双向器件：
单纤双向器件
基本结构与工作原理：
如图所示，其焦点是中心部位的WDM分光片，LD组件和PD组件均通过自聚焦透镜与分光片耦合，也可采用准直耦合方式。

分光片是石英玻璃材料的光学部件，光源照射面镀增透膜探测器接收面镀反射膜。

LD发出的光功率，通过自聚焦透镜聚焦成平行光束，透过分光片耦合刊传输光纤，外来信号光通过光纤照射到分光片上，再反射到自聚集透镜上，经透镜聚光与探测器组件耦合。

单纤双向光收发组件用一个组件代替发射和接收两个组件，实现一根光纤双向传输，用于用户接入网，以低成本完成图像与数据、语音等通信。

LD组件作为上行线光发射机，用于用户向端局传输数据，PD组件作用户接收机，接收来自端局分支器分配的视频图像等信号。

目前开发投产的单纤双向收发组件有单波长和双波长之分。

前者为1510nm发/1310nm收；后者为1310nm发/1550nm收，或收发对调，也有用850nm发/1310nm收的。

点型平行光的制作方法2

完成！它们将会为你工作
个小时！
5000
用电工胶布固定。用同样办法调整剩下的激光模组，要是碰上无法调整的模组时，可以试试把模组调换一下位置再调整。问题应该可以解决。
ห้องสมุดไป่ตู้
搞定。
然后把偷儿子的两块积木将平行激光夹住，用胶布固定。通电确定平行光是否已经调好。
用电烙铁融掉硅胶，如图
小心地把硅胶滴到调焦头的螺纹上。（别滴到激光头上了）
两边都要滴。10秒钟左右就会干。
对着黑纸照射，不伤眼睛
光点散，可调节前方调焦头
黑纸到激光模组的距离最好为烟箱的长度。60cm
对焦完毕，但发现两光斑的距离偏大。为什么?这是激光模组的工艺问题，老板说这精度无法保证。
还好，调焦头可以小范围地向四周移动，可以达到调整光斑位置的目的。
调整成功。

平行光原理

平行光原理平行光原理是光学中一个重要的概念，它对我们理解光的传播和折射现象有着重要的指导作用。

平行光是指光线的传播方向是一致的，不会发生偏折或者散射，这种特性在很多光学设备和实验中都有着重要的应用。

接下来，我们将深入探讨平行光原理的相关内容。

首先，我们来看一下平行光的特性。

平行光是一种理想化的光线模型，它的传播方向可以看作是无限远处的光源发出的光线，这些光线在传播过程中不会发生偏折，也不会发生散射。

在真实的光学系统中，我们可以通过透镜、凸透镜等光学元件来模拟平行光的传播，从而实现一些光学实验和设备的设计。

其次，平行光原理在光学成像中有着重要的应用。

在很多成像系统中，我们常常需要利用透镜将物体的光线聚焦到成像平面上，从而得到清晰的成像。

而利用平行光原理，我们可以通过调整透镜与物体的距离，使得透镜前方的光线近似为平行光，这样可以简化成像系统的设计和分析，提高成像质量和稳定性。

此外，平行光原理也对光的折射现象有着重要的影响。

根据折射定律，当光线从一种介质射向另一种介质时，会发生折射现象。

而当入射光线近似为平行光时，折射光线的方向也会有一定的规律，可以通过折射定律进行准确的计算和分析。

这对于光学器件的设计和光线的传输有着重要的意义。

总的来说，平行光原理是光学中一个基础而重要的概念，它对光的传播、成像和折射现象有着重要的指导作用。

通过深入理解和应用平行光原理，我们可以更好地设计光学系统、进行光学实验和研究，从而推动光学领域的发展和应用。

希望通过本文的介绍，读者对平行光原理有了更深入的了解，同时也能够在实际的光学研究和应用中加以运用，为光学技术的发展和创新做出贡献。

平行光原理的深入研究将有助于我们更好地理解光的本质和特性，为光学领域的发展和应用带来更多的可能性。

初中物理透镜成像范例

初中物理透镜成像范例凸透镜是初中物理光学部分的重要实验器材。

初中学习的凸透镜焦距测量方法是平行光聚焦法和一倍焦距成像法。

本文介绍了将自准直法作为初中生拓展学习测量凸透镜焦距的方法。

一、凸透镜焦距的几种测量方法及比较1．初中物理的平行光聚焦法：使平行光束（太阳光或人造平行光束）平行于凸透镜主轴射到凸透镜上，在另一侧放一光屏，使光屏与透镜主轴垂直，调节光屏位置，直到光屏上得到一个最小、最亮的光斑，这时透镜光心到光屏的距离即为焦距。

此法不够精确，适用于估测，原因是光屏在一个较大的范围内得到的光斑都很小、很亮，肉眼很难确定哪个是最小、最亮的光斑。

2．初中物理的等大实像法：根据凸透镜的成像规律，当物距等于2倍焦距时，光屏上可以接收到倒立、等大、清晰的实像。

将光源与光屏分别置于凸透镜的两侧，调节三者的位置，直到光屏上得到清晰的倒立等大的实像为止。

此时物距与像距应该大致相等，测出物距u和像距v，据成像规律有u＝2f=v，可求出焦距f。

此方法也不够精确，原因仍是肉眼很难确定光屏在哪个位置接到的像最清晰，以及光心位置不易找准，此时像距v不能测准。

高中物理又介绍了三种方法：1．公式法（一次成像法）：用实物作为光源，其发出的光线经会聚透镜后，在一定条件下成实像，可用白屏接取实像加以观察，通过测定物距u和像距v，利用即可算出f ′。

实验中，借助光屏上所成的实像进行相关数据的测量，计算出透镜的焦距。

理论上，当物距一定时，透镜成像清晰的位置只有一个，但由于人眼的分辨率较低，光屏在一段区间内移动时，像看上去都很清晰似的，真正成像的位置难以判断，会造成较大的误差。

测出d和l，就可以算出f ′。

这种方法中不需要考虑透镜本身的厚度，因此这种方法测出的焦距一般较为准确。

但同时，在测量过程中，像的清晰程度不易把握，因此，要测量准确还需准确找到最清晰的像。

综合初、高中的五种测量方法可见，初中介绍的平行光汇聚法和等大成实像法测量凸透镜的焦距为粗略测量，精确度不高。

用自聚焦透镜作平行光束

光子学报ACTA PHOTONICA SINICA1999年第28卷第2期Vol.28No.21999用自聚焦透镜作平行光束与单模光纤的最佳耦合高应俊姚胜利高凤摘要本文提出一种用两片自聚焦透镜组合而成的耦合系统，可以实现平行光束与单模光纤的最佳耦合.文中给出了该耦合系统的参数计算公式，并进行了计算机数字式计算，最后推导给出了最佳结构参数计算的解析公式.表明给出的耦合系统具有唯一最佳结构参数解，并且这种解具有和谐的对称性.关键词耦合；自聚焦透镜；单模光纤OPTIMIZED COUPLING OF GRADIENT INDEX ROD LENSES WITH SINGLE MODE FIBERGaoYingjun,YaoShengli,GaoFengXi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Xi′an,China710068Abstract A coupling system composed of two-pieces of gradient index rod lenses is developed to achieve optimized coupling between a collimating light beam and a single mode fiber.The calculating expressions for the construction parameters of the coupling system are given,and the digital computing by using computer was carried out,the analytical formula for obtaining the optimized construction parameters were derived.The formula show that the best solution for the coustruction parameters is exist and unique,and is harmonic and symmetric.Keywords Coupling;Gradient index rod lens;Single mode fiber0 引言在光纤的使用实践中，经常需要解决光束与单模光纤(single Mode Fiber,SMF)的高效耦合问题.自聚焦透镜(Gradient Index RodLens,GRIN or Selfoc Lens)由于其优越的小体积、平端面、易加工、易调整对准、易耦合组装、耦合效率高，而特别地受到重用.然而单片自聚焦透镜由于其确定的性能参数，难以同时满足单模光纤的小芯径(约8～10μm)和小数值孔径(一般为0.11)要求.本文提出一种新的变折射率光学耦合系统设计，即两片式自聚焦棒透镜构成的耦合系统.对这种耦合系统提出的要求是，首先要圆满保证单模光纤特征参数的要求，希望因而获得最大耦合效率；其次要使其结构尽可能地紧凑、体积尽可能地小.本文根据自聚焦透镜的光线传输轨迹，给出了理论设计计算公式；然后由这些计算公式用计算机编程计算给出了最佳结构参数的近似值；按着又从理论计算公式，最后推导得出了最佳结构参数的解析计算公式.这些公式表明用本文提出的耦合系统可以求得最佳结构参数，并且这些参数表现出结构的对称性、和谐性.1 设计原理我们知道，变折射率棒透镜或称自聚焦透镜的材料折射率自棒轴至外圆是逐渐减小的，并且是轴对称的，因而一般将其折射率分布表示为1n2(r)＝n2(1－g2r2)(1)式中n为棒轴上的折射率，g为表示折射率变化快慢的特征参数.由式(1)得到的光线在自聚焦棒透镜子午平面内的传输轨迹为1r＝r0cosωz＋(p/ng)sinωz(2a)p＝p0cosωz－rngsinωz(2b)式中ω＝n0g/l，r为光线的初始入射点坐标，p、l分别为光线的第一、第二初始光学方向余弦.自聚焦透镜的数值孔径为1(3)式中a为自聚焦透径的半径.由式(3)可知，自聚焦透镜的数值孔径自中心至边缘不是常值，中心轴上最大，边缘点处为零.目前的自聚焦透镜有小、中、大、超大几种数值孔径规格，分别为NA＝0.17、0.37、0.45、0.65.如果以自聚焦棒透镜作平行光束与单光纤的耦合，比如说采用1/4节距长的单透镜，虽然平行光束经该透镜后会聚为很小的光点，但在该处的数值孔径却远大于单模光纤的数值孔径(NAf＝0.11)；如果长度大于或小于1/4节距，使光束出射角与单模光纤的数值孔径匹配，这时的出射光束直径则远大于单模光纤的芯径(df＝8～10μm)，于是造成光能的外逸损失，虽然可以拉开一段距离，使会聚光束直径适应单模光纤的芯径，但这样作却使体积大大增大并在实践中使实施困难.因此，自聚焦棒单透镜系统是不可能获得满意的耦合效率要求的.本文提出解决这一困难的设计方案是：采用分离式两片自聚焦透镜的组合法来达到这一要求.这两片自聚焦棒透镜的基本性能参数可以是不同的，也可以是相同的.图1为这种两片式自聚焦棒透镜耦合系统的结构示意图.图1 两片式自聚焦棒透镜耦合系统作平行光束与单模光纤耦合示意图Fig.1 Schematic diagram of the coupling system using 2 pieces of GRIN lenses to couple parallel beams with single mode fiber图1中，GRIN1和GRIN2为两自聚焦棒透镜，长度分别用z1和z2表示，其间隔为zair，第二透镜后端面与单模光纤直接粘接耦合，这样易于组合在一起，工艺上容易实现.设上述GRIN1和GRIN2自聚焦棒透镜的折射率分布可用式(1)表示，它们的主要特征参数分别为n01、n02及g1和g2；单模光纤的数值孔径为NAf＝0.11.对于GRIN1透镜，由平行光束入射条件，极限边光出射后的光线高度r1及光学方向余弦p1，由式(2)为r1＝acosg1z1(4a)p 1＝－c1sing1z1(4b)式中a为GRIN1的半径，c1＝an01g1.对GRIN2透镜，逆光束前进方向求解之.即在GRIN2后端面轴上点处(r0＝0)，光线以初始方向余弦等于单模光纤的数值孔径(即p＝NAf＝pf)入射，则在端面的出射点r2及方向余弦p2分别为r2＝c2sing2z2(5a)p2＝pfcosg2z2(5b)式中c2＝pf/n02g2为使满足匹配耦合条件，应令｜p1｜＝｜p2｜，则可求解(4b)与(5b)联立的方程组，得出由z1表示的z2(或反之)，即(6)在图1中，由于θ一般不很大，则近似有tanθ＝sinθ＝p1(或p2)，于是由图中几何关系，可求得两自聚焦棒透镜的间距zairz air ＝(r1－r2)/tanθ≈(r1－r2)/｜p1｜(7)2 计算机计算结果由前面得到的设计结果式(6)和(7)，可以编计算机程序求解之.由式(6)、(7)可知，给定一个初始值z1，理论上总是可以求得z2和zair的，因此对一定范围任意的z1(z1应小于1/4节距长度)，可以有很多种长度不同的z1、z2、zair组合方案.计算机求解的目的就是采用逼近尝试法寻找最短的zair，即最小体积、最小耦合系统长度的结构参数.图2为计算机编程框图.即首先给z1一个很小的起始初值，由式(6)求出z2，再由式(7)求出zair；然后给z1一个很小的增量Δz，求得新的z air ；如此循环直到两次z air 的差的绝对值小于某一给定小值，则以最后的z air 为满意的最佳耦合系统结构参数.图2 计算机计算程序框图 Fig.2 Computer program diagram表1是经计算机计算给出的几种组合结果，其中采用了西安光机所目前典型的几种自聚焦透镜的参数.由表中可以看出，在给定步长造成的误差下，两种透镜前置或后置给出完全相对称的结构参数；其次，若采用同一种两片自聚焦棒透镜组合，得到其镜长(或厚度)相等的结果，这也是前述对称性的体现.表1 计算机给出的几种自聚焦棒透镜耦合系统结构参数表3 耦合系统结构的解析计算式事实上，耦合系统最佳结构参数的确定，可以由式(7)解析求得.为便于运算求解，设Z1＝g1z1，Z2＝g2z2，则可将式(7)写为(8)则(9)令dZair /dZ1＝0，显然上式中cscZ1＝0不成立，因此应令式(9)中的圆括号因子为零，即(10)求解方程(10)，可得(11)即当Z1取式(11)所给的值时，有最小结构尺寸Zair.代入式(6)可求得另一透镜的结构参数Z2(12)再由式(8)得Zair(13)代回式(11)、(12)、(13)中的Z1＝g1z1、Z2＝g2z2、c1＝an01g1、c2＝pf/(n02g2)，最后得(14)(15)(16)由上述几个解析式可以看出，对于给定性能参数(g、n)的自聚焦棒透镜及单模光纤的数值孔径(pf ＝NAf)，这种耦合系统存在有最佳耦合结构参数的唯一解，这种耦合系统最终给出最高的耦合效率、最小的几何结构尺寸、最理想的实际耦合系统的组成方式.同时，由式(15)和(16)可以看出，它们给出的z1和z2表示式是完全对称的.这也说明了计算机计算结果的正确性.事实上，我们用式(14)、(15)、(16)进行了计算，给出的结果与前面计算机给出的数字近似值表1中的结果完全符合.应当指出，本文给出的分析方法和计算公式，是基于高斯光学即几何光学导出的.当满足了本文所述的最佳耦合条件后，还要注意最大可能地减小所给耦合系统的象差以及衍射效应的影响，以获得最终的更满意的耦合效果.GaoYingjun Associate professor,was born in Shaanxiprovince,China in September 18,1946.He graduated from Math and Physics Department,Jiaotong University in 1970 and got his M.Sc in fiber optics in Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics in 1982.His current interest is in optical engineering,microoptics,fiber optics and integrated optics.作者单位：中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710068。