光纤准直器原理
光纤准直镜 原理
光纤准直镜原理《光纤准直镜原理：我所理解的神奇小物件》嘿，今天咱来唠唠光纤准直镜这玩意儿。
你可能一听这个名字就觉得特高深莫测，其实啊，没那么玄乎。
就像我之前捣鼓我那小手工的时候，我有个类似的小发现。
我当时想做个简单的小装置，让一道很细的光线直直地射出去，就像激光笔那种效果。
我开始就想啊，这光它从一个小地方出来，要是没有啥东西管着它，那肯定是到处乱窜的呀，就像一群没头的小蚂蚁似的。
光纤准直镜呢，它就像是一个特别严厉的小教官。
你看光纤，它就像一个小管道，光在这个管道里跑着，就像小火车在轨道上。
但是从光纤里出来的光啊，那可是乱糟糟的，就跟刚下课冲出教室的小朋友们一样，方向完全不一致。
这个时候光纤准直镜就登场啦。
我仔细观察过一个类似的小镜片，它表面可光滑了，光溜溜的，就像溜冰场一样。
光打到这个镜片上啊，就像是那些横冲直撞的小朋友突然遇到了一个特别有秩序的引导员。
这个镜片有特殊的形状和光学性质，它能把那些杂乱的光线重新调整方向，让它们变得规规矩矩的，就像把一群调皮捣蛋的孩子排成了整齐的队伍，然后齐刷刷地朝着一个方向前进。
我当时做小手工的时候，我用了一块有点类似原理的小塑料片，我发现啊，只要稍微调整一下这个小塑料片的角度，光射出去的方向就会有很大的变化。
这就跟光纤准直镜似的，它要精确地调整好自己的角度之类的参数，才能让从光纤出来的光被完美地“驯服”，变成一束平行光。
你想啊，如果没有光纤准直镜这个小能手，那些从光纤出来的光就只能在周围瞎晃悠，啥也干不成。
但是有了它，光就可以被好好地利用起来，去做很多超级酷的事情，像在一些精密的仪器里，或者是那些特别高科技的通信设备里。
所以说啊，光纤准直镜虽然看起来就是个小小的东西，但是它的原理就像是一场小小的魔法秀，把那些不听话的光变得乖乖听话。
就像我做小手工时的小探索一样，虽然很简单，但也让我对这个光纤准直镜的原理有了一种很接地气的理解呢。
嘿嘿，是不是感觉这光纤准直镜也没那么神秘啦？。
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。
用于远距离测速的光纤准直器研究
用于远距离测速的光纤准直器研究范源;吴慎将;李党娟【摘要】为了在空气炮内弹道测速中提高光纤准直器的工作距离,对光纤准直器结构进行改进,以实现远距离探测.列举了几种常见的准直透镜.从高斯光束原理以及可实现光学探测工作距离的角度出发,在C-LENS透镜原理基础上,提出了直径为16 mm的空气炮弹丸测速装置,并设计了长距离光纤准直器.在ZEMAX软件中对准直器进行仿真,利用优化函数求出透镜最大工作距离,并通过光束质量分析仪检测准直器性能指标.仿真结果进一步验证了准直器的可行性.通过在导轨上进行长距离返回光耦合效率试验,证明了该设计基本满足10～1500 mm的探测要求,为光纤准直器的长距离测量提供了技术参考.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)009【总页数】4页(P1-4)【关键词】光纤准直器;光束质量分析仪;传感器;透镜;高斯分布;ZEMAX软件仿真【作者】范源;吴慎将;李党娟【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021【正文语种】中文【中图分类】TH741;TP270 引言光纤器件被广泛应用于光通信、光纤传感。
在光纤通信及光纤器件生产领域中，光纤准直器作为光纤与光纤耦合的重要器件而备受关注[1-3]。
光纤准直器是光无源器件的一个重要组件，在光通信系统中得到普遍应用。
它是由单模尾纤和透镜组成的，具有插入损耗较低、回波损耗高、光束发散角小、轻巧易组装等特点[4]。
光纤准直器将光纤端部的发散光束平行出射，或者将平行光束汇聚入光纤，以提高光纤系统的耦合效率。
微球透镜具有焦距短、像差小的特点[5]。
当准直器的准直距离要求小于30 mm 时，C-LENS准直器和常用 G-LENS准直器性能接近。
而当准直距离要求大于50 mm时，C-LENS准直器的优势就变得更加突出[6]。
光束准直原理
光束准直原理光束准直原理是光学中的一项基础原理，它在激光技术、光通信等领域都有广泛的应用。
本文将从光束准直的概念、实现原理、应用以及发展前景等方面进行阐述，以期能够全面深入地了解光束准直原理。
一、概念光束准直是指将光束的传播方向调整为平行光束的过程。
准直后的光束具有相同的传播方向和相干性，能够在较长距离内保持较小的发散角。
光束准直的目的是为了使光束能够更好地传输和聚焦，提高光学系统的效率和性能。
二、实现原理要实现光束的准直，需要借助一些光学元件，如准直透镜、反射镜等。
准直透镜是最常见的准直元件，它能够将非平行光束调整为平行光束。
当光线通过准直透镜时，根据折射定律，光线在透镜两侧的折射角相等，从而使得入射光束的发散角度减小，实现光束的准直。
反射镜则通过反射的方式实现光束的准直，将散射的光线反射为平行光束。
三、应用光束准直在激光技术中有着重要的应用。
在激光器中，为了提高激光的输出功率和质量，需要对激光进行准直处理。
通过使用准直透镜或反射镜，可以将激光束从激光器中准直出来，使其能够更好地传输和聚焦。
在光通信中，也需要对光信号进行准直处理，以提高光信号的传输距离和传输质量。
光束准直还在光学测量、光学成像、光学制造等领域有着广泛的应用。
在光学测量中，准直光束可以提高测量的精度和准确性。
在光学成像中，准直光束可以保证图像的清晰度和分辨率。
在光学制造中，准直光束可以用于光刻、激光焊接等工艺，提高制造的精度和效率。
四、发展前景随着光学技术的不断发展和应用的不断拓展，对光束准直的需求也越来越高。
未来，随着光纤通信、激光加工、光学传感等领域的迅猛发展，对光束准直技术的研究和应用将会更加深入和广泛。
同时，随着新材料、新技术的不断涌现，光束准直技术也将不断创新和突破，为光学领域的发展带来更多的机遇和挑战。
光束准直原理是光学中的一项基础原理，它在激光技术、光通信等领域都有着广泛的应用。
通过借助准直透镜、反射镜等光学元件，可以实现光束的准直。
准直仪原理
准直仪原理准直仪是一种用来测量光线方向和角度的仪器，它在工程测量、地质勘探、建筑施工等领域有着广泛的应用。
它的原理主要基于光学的几何原理，下面我们来详细了解一下准直仪的原理。
首先，准直仪是通过利用凸透镜的成像原理来实现的。
凸透镜是一种光学器件，具有使平行光线汇聚成焦点的能力。
当光线通过凸透镜时，会发生折射现象，从而使得光线的传播方向发生改变。
准直仪利用这一特性，通过调整凸透镜的位置和角度，可以实现对光线的准确测量和定位。
其次，准直仪的原理还涉及到光线的反射和折射。
在准直仪的测量过程中，光线会先经过反射镜或棱镜，然后再通过凸透镜进行准直。
反射镜或棱镜可以改变光线的传播方向，使其垂直于凸透镜的光轴，从而实现准直测量。
而凸透镜则可以将光线聚焦成一个点，使得光线的方向和角度可以被精确地测量和记录。
此外，准直仪的原理还包括了光线的成像和目标的观测。
在准直仪的工作过程中，光线会经过凸透镜后在焦平面上形成清晰的像，观测者可以通过目镜或者其他光学器件来观测和记录这个像，从而得到光线的方向和角度信息。
这种成像和观测的原理是准直仪能够实现精确测量的关键。
总的来说，准直仪的原理是基于凸透镜的成像原理，通过光线的反射、折射、成像和观测来实现对光线方向和角度的精确测量。
它在工程测量中起着至关重要的作用，能够帮助工程师和科研人员进行精确的定位和测量，为工程施工和科学研究提供了有力的支持。
希望通过本文的介绍，读者能够对准直仪的原理有一个更加清晰的认识，进而更好地理解和应用这一重要的光学仪器。
同时，也希望本文能够为相关领域的工程师和科研人员提供一些参考和帮助，促进工程技术和科学研究的进步与发展。
光纤准直器的分析和比较
文章来源: /schemes/scheme-27.htm在自由空间型的光无源器件（如光隔离器、光环形器、光开关等）中，输入和输出光纤端面必须间隔一定距离，以便在光路中插入一些光学元件，从而实现器件功能。
从光纤输出的高斯光束（实际为近高斯光束，可以高斯光束近似处理），束腰半径较小而发散角较大，两根光纤之间的直接耦合损耗对其间距极其敏感，光纤准直器扮演这样一种功能，将从光纤输出的光准直为腰斑较大而发散角较小的光束，以增加对轴向间距的容差，如图 4 所示，从图 2（c）（d）亦可看出准直器对轴向容差的改善。
光纤准直器的结构和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。
光纤准直器的设计方法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。
具体设计步骤如下：a) 确定所需工作距离Zw；b) 列出从光纤端面至输出光束束腰位置的近轴光线传输矩阵；下面以 Grin-Lens准直器为例：c) 列出输出光束束腰位置的 q 参数；高斯光束的传输可用 q 参数及 ABCD法则来描述，如下图公式所示：一般考虑光纤端面高斯光束的模场半径为ω0且波面曲率半径为R0＝∞，因此光纤端面的q参数为：根据 ABCD法则，输出光束束腰位置的 q 参数为：d) 确定光纤头与透镜间距 L；在输出光束束腰位置，波面曲率半径为R3=∞即 1/q3的实部为 0纵观以上推导过程，q3中只包含一个变量L。
光纤准直器原理
(5)一. 模型光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大（束腰小）的光束转换为发散角较小（束腰 大）的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。
在这里，我们将从光纤中的出射光束 认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下：图1光纤准直器原理示意图其中，q i （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为：i i；（i ）q zR z1 2 ?w z丄2 22f“ z 上 w 0R zz， w z Wo .〔 一 ， f7（2）z\ f图1中，qi （i=0,1,2,3）分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出射光束的束腰处的q 参数，而w oi 和W 02分别表示透镜变换前后的束腰；I 表示光纤端面与透镜间隔，l w 为 准直器的设计工作距离。
二. 理论分析根据ABCD 理论，高斯光束q 参数经透镜变换后,工作距离:2Al B Cl D ACf i光纤准直器原理曾孝奇q 2Aq iCq i(3)2而且，q i q o 1， q 2 q 3 I w /2，q oi if i ，q 32• W 02i -if 2。
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小:W 02(4)W oi2 严，Cf i Cl D 2(5)方程（5）是关于I 的二次方程，为使得I 有实根，方程（5）的判别式应该不小于零，从而 我们可以得到：AD BC 2ACf iC 2f i方程（6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 I wmax AD BC 2ACf i /C 2f i o 此时，我们得至U ： I f 1 -。
C分析：不论对于何种透镜，准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传输矩阵ABCD ;对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的距离 I 有关，也就 是说，对于给定的入射光束和给定的透镜，我们可以通过在透镜焦距附近改变 I 来实现不同 的工作距离。
在实际制作准直器当中，我们正是通过这种方法来实现不同的工作距离的。
光纤准直器的工作原理
光纤准直器的工作原理
光纤准直器是一种光器件，用于将入射的光束准直化，使其光线方向更加稳定和准确。
其工作原理基于光纤中的全反射现象和零模光束的特性。
首先，光纤准直器通常由一根光纤和一个光学透镜组成。
当入射光线进入到光纤中时，它会在光纤芯层和包层的分界面发生全反射，形成沿着光纤传输的光波导。
在光纤中，零模光束是指只有光的电场沿着光纤纵向分布的模式，而横向电场为零。
这种模式是光纤中最稳定的模式，在传输过程中衰减最小，方向也最稳定，因此被用于准
直器的设计中。
当光纤传输的光束到达准直器的末端时，它会被聚焦到一个小点上。
这个点的位置可
以通过调整透镜的位置来调整。
因为光束是一个零模光束，所以这个被聚焦的点会非常稳定，可以作为准直后的光线输出。
光纤准直器的优点在于，它可以将任意入射方向的光线都准直化。
这对于很多光学系
统来说都非常重要，特别是需要进行高精度测量和控制的系统。
另外，由于光纤的柔性和
小体积，光纤准直器也很容易被集成到光学系统中。
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3)
而且， q 1 q 0 l ， q 2 q 3 l w /2， q 0 i
2
w01
if 1， q 3 i
2
w 02
2
if 2。
一 . 模型
光纤准直器通过透镜能实现将从发散角较大 (束腰小) 的光束转换为发散角 较小(束腰大)的光束，从而以较低损耗耦合进入其他光学器件。
在这里，我们 将从光纤中的出射光束认为是基模高斯光束；光纤准直器基本模型如下：
其中， q i ( i=0,1,2,3 )为高斯光束的 q 参数，q 参数定义为：
图 1 中， q i (i=0,1,2,3 )分别表示光纤端面，透镜入射面，透镜出射面，和出 射光束的束腰处的 q 参数，而w 01和 w 02分别表示透镜变换前后的束腰； l 表示光 纤端面与透镜间隔， l w 为准直器的设计工作距离。
二 . 理论分析
根据 ABCD 理论，高斯光束 q 参数经透镜变换后，
Aq 1 B q2
Cq 1 D ，
光纤准直器原理
曾孝奇
11 qz Rz i w 2z ，
1)
2
， w z w 0 1
2
w
2)
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小：
AD BC w 02 w 01
2
Cl D 2 Cf 1
工作距离：
2
l 2 Al B Cl D ACf 12
，
（
5）
l w 2
2 2 ，
（ 5）
w
Cl D 2 Cf 1 2
方程（ 5）是关于 l 的二次方程，为使得 l 有实根，方程（ 5）的判别式应该不小 于零，从而我们可以得到：
AD BC 2ACf 1
，
w 2 ，
C 2 f 1
方程（ 6）表示准直器的工作距离有上限，就是一个最大工作距离 2D l wmax AD BC 2ACf 1 / C 2 f 1 。
此时，我们得到： l f 1 D。
C 分析：不论对于何
种透镜， 准直器的出射光斑和工作距离都取决于透镜的传 输矩阵 ABCD ；对于给定的透镜，它们还跟入射光斑大小和光纤端面与透镜间的 距离 l 有关， 也就是说，对于给定的入射光束和给定的透镜， 我们可以通过在透 镜焦距附近改变 l 来实现不同的工作距离。
在实际制作准直器当中， 我们正是通 过这种方法来实现不同的工作距离的。
进一步地， 如果我们需要定量计算准直器的出射束腰和工作距离， 需要具体 知道不同透镜的 ABCD 系数。
对于 G Lens （自聚焦透镜，通常为 0.23P ），它的 ABCD 矩阵为：
1
cos AL 1
sin AL n o A ， （ 7）
n o Asin AL cos AL
其中，n 0 透镜的透镜的轴线折射率， L 为透镜的中心厚度， A 为透镜的聚焦常数。
由于G Lens 的ABCD 系数取决于 n 0，L 和 A ，因而，适当选择这些参数，同样能 改变准直器的出射光斑大小和工作距离。
对于 C lens （ 厚透镜 ） ，它的传输矩阵为：
4）
6）
C A
D B
8）
三．实例分析
本小组采用 C lens 已制作的一些准直器， C lens 参数如下：
曲率半径 R=1.2mm ，透镜长度 L=2.5mm ，C lens 采用 SF11材料，在 1550nm 处折射率 n=1.744742。
另外，从单模光纤 SMF28出射的光斑半径为 w 01 5μm 这样，根据以上理论分析，我们容易得到出射光在不同位置的光斑大小，并且， 我们将理论计算值与 Beamscan 得到的测量值比较，如下表：
说明：产生“两个焦点”原因在于对于给定的工作距离 l w 方程（ 5）关于 l 的解 有两个，一个近，一个远，实际中，应取离透镜近的才能获得发散角小的光束。
在实际制作准直器中应当注意这个问题。
上面提到， 对于给定的透镜， 准直器出射光束大小和工作距离取决于光纤端 面与透
C A
1n
1 1 n n L
R
8）镜间的距离l ，我们可以从下图定性了解这种变化关系
图2 工作距离 l w 与l 的关系。
图3 出射光斑大小与工作距离 l w 的关系。
其中，近场距离为 7mm ，
远场距离为 110mm 。
图4 出射光发散角与工作距离 l w 的关系。
从图 2，我们可以看到， 随着 l 的增加，工作距离 l w 先增后减，当 l =0.2306mm 时，工作距离 l w =54.44mm 为最大值。
该最大值由透镜决定的，无论怎样改变 l ， 工作距离也不可能超过它， 因此在实际制作准直器中应当考虑这个问题。
从方程 （6） 和（ 8），我们也可以得到 C lens 准直器的最大工作距离的表达式：
R 2 2R R 2
l w max
在这里，由于 R~mm ， 略掉 2R
项。
从方程
n1 它的曲率半径决
定的， 曲率半径的 C
lens 获得较大的工作距离，这也是 C lens 区别于 G lens 的一个 地方。
例如，如果我们
选用曲率半径 R=1.8mm 的 C lens ，我们可以得到最大工 作距离是 120mm 的准直器。
当工作距离在最大值以内时，有两个不同的 l 同时能满足工作距离的要求， 一个近，一个远，就如我们上面计算看到的，例如，当 l w =25mm, l =0.1897, 0.4056mm 。
为获得发散角小的光束，我们应当取 l <=0.2306mm ，这个问题在实际 制作准直器中同样应当考虑到，当 l <=0.2306mm 时， l w 的变化随 l 变化很敏感， 例如，当 l =0.1773mm, l
w
=1mm ，当 l =0.1870mm ，l w =20mm ，这意味中我们在制作 准直器中调节 l 要很缓慢。
图 3 和图 4 分析了不同工作距离对出射光束的影响。
从图 3，我们可以看到，在最大工
2 2 2 2。
（ 9
w 01
n 1 n 1 w 01 n 1
n-1~1 ，在估算 C lens 准直器最大工作距离时我们可以省 9），我们可以看到， C lens 准直器的最大工作距离是由 它
跟曲率半径的平方成正比， 因此我们可以容易选用大的
作距离内，近场光斑在300μm 附近变化，远场光斑在700μm 附近变化；近场光斑和束腰大小随着工作距离的增加而减小，而远场光斑随工作距离增加先减小，在45mm附近有稍稍增加。
从图4，在最大工作距离内，随着工作距离的增加，光束的发散角从6.2mrad (0.3552 °) 单调增加至7.4mrad (0.4240 °)，这说明，工作距离越小，所获得光束准直效果越好。
四．总结
本文简要分析了准直器的工作原理，并定量分析了影响出射光束腰大小和工作距离的因素，对于给定的透镜，我们可以通过改变光纤端面与透镜距离来实现工作距离的调节。
同时，我们将理论结果分析了几个实际的C lens 准直器，分析表明，理论结果与beamscan测量值符合得较好。
除此，我们还分析了l 对工作距离的影响，不同工作距离对出射光束大小的影响。