光纤准直器原理
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。
光电自准直仪原理
光电自准直仪原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光电自准直仪原理，这玩意儿可神奇啦！
你想想看啊，光电自准直仪就像是一个超级敏锐的眼睛，能精准地捕捉到各种细微的变化。
它主要是利用了光的直线传播特性呢。
就好像你在黑暗中拿着手电筒，那束光直直地射出去，不会拐弯抹角。
光电自准直仪里面有个光源，这光源就像一个小太阳，发出明亮的光。
然后这光通过一系列的透镜啊、反射镜啊之类的，被整得乖乖的，直直地朝着目标奔去。
这时候，如果目标有一点点的倾斜或者移动，哎呀，那可就被光电自准直仪给察觉到啦！
就好比你站在平地上，突然脚崴了一下，旁边的人肯定一下就发现了。
光电自准直仪就是这么厉害，能敏锐地察觉到那些微小的变化。
它里面还有个光电探测器呢，这东西就像一个特别机灵的小哨兵，时刻警惕着光的信号。
一旦光的路径发生了变化，这个小哨兵就会立刻发出信号，告诉我们出问题啦！
你说神奇不神奇？这光电自准直仪在好多地方都大显身手呢！比如在工业生产中，它可以检测那些零件是不是加工得够精确呀；在科学研究里，能帮助科学家们观察各种细微的现象。
咱再打个比方，它就像是一个挑剔的美食家，一点点不完美都能尝出来！它对精度的要求那可是相当高啊，容不得一点马虎。
而且啊，光电自准直仪还不断在发展进步呢！就像我们人一样，要不断学习成长。
以后它肯定会变得更加厉害，能做更多的事情，给我们带来更多的惊喜。
所以啊，大家可别小瞧了这光电自准直仪，它虽然不大，但是作用可大着呢！它就像是隐藏在科技世界里的小魔法师，用它神奇的力量帮助我们解决各种难题，让我们的生活变得更加美好，更加精确！这光电自准直仪的原理，是不是特别有趣呀？。
准直器 耦合
准直器耦合引言在光学系统中，准直器和耦合是两个关键概念。
准直器是指将光束调整为平行光束的光学元件，而耦合则是指将光束有效地传输到光学系统中的其他组件。
准直器和耦合在许多光学应用中都起着重要的作用，如通信系统、光纤传感器和光学测量设备等。
本文将介绍准直器和耦合的基本概念、原理和常见的实现方法。
准直器准直器是用于将光束调整为平行光束的光学元件。
平行光束是指光束中所有光线的光程差几乎为零的光束。
准直器的主要作用是在光学系统中保持光束的空间特性，以便后续的传输和处理。
准直器通常由透镜、棱镜或反射镜等器件组成。
常见的准直器设计包括将光束调整为平行光束和调整光束直径的两种技术。
将光束调整为平行光束的技术包括透镜准直器和光纤准直器。
透镜准直器通过透镜的曲率和焦距来实现光束的准直，而光纤准直器则利用光纤的传输性质来实现准直。
调整光束直径的技术包括光阑准直器和开口准直器。
光阑准直器通过调整光束通过的孔径大小来实现准直，而开口准直器则利用衍射原理来控制光束的直径。
耦合耦合是指将光束有效地传输到光学系统中的其他组件。
在许多光学应用中，光束需要耦合到光纤、激光二极管或其他光学器件中。
一个好的耦合方案可以提高光束的传输效率和损耗降低。
常见的耦合技术包括直接耦合、透镜耦合和光纤耦合。
直接耦合是指将光束直接传输到光学器件中，如将光束直接耦合到激光二极管。
透镜耦合是利用透镜将光束聚焦到光学器件上，以实现高效的耦合。
光纤耦合是将光束通过光纤传输到光学器件中，光纤的直径和数值孔径的选择对于耦合效率至关重要。
实现方法透镜准直器的实现方法透镜准直器是将光束调整为平行光束的常见方法之一。
实现透镜准直器的关键是选择合适的透镜和安装位置。
一般来说，准直透镜的焦距应与光束的发散角度相匹配，以实现最佳的准直效果。
在光学系统中，透镜通常位于光源和光学器件之间，以将光束准直后传输到后续的组件中。
光纤准直器的实现方法光纤准直器是将光束调整为平行光束的另一种常见方法。
光纤准直器原理
光纤准直器原理曾孝奇一. 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，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为：()()()z w i z R z q 211πλ-=，（1） ()z f z z R 2+=，()201⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=f z w z w ，λπ20w f =；（2） 图1中，i q （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01w 和02w 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，DCq BAq q ++=112，（3）而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12010if w i q ==λπ，22023if w i q ==λπ。
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小：()()2120102Cf D Cl BCAD w w ++-=，（4）工作距离：()()()()212212Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=，（5）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：1212f C ACf BC AD l w --≤，（6） 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()()121max /2f C ACf BC AD l w --=。
此时，我们得到：CD f l -=1。
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。
光纤准直镜原理
光纤准直镜原理今天来聊聊光纤准直镜原理。
这个原理听起来挺高深的，其实要是联系生活中的一些现象，那就比较容易理解了。
就像咱们平常见过的手电筒，光线从灯泡那里发射出来，如果不加任何东西，那光线是散着的，能照亮前面一块很大的范围。
但是呢，如果在灯泡前面加一个聚光罩，就会发现光变成一束比较直的光线，照得很远而且更集中了。
光纤准直镜有点儿类似这个聚光罩的作用呢。
光纤准直镜主要是用于将光纤输出的发散光变成平行光。
有意思的是，光纤里面的光就像是一群调皮的小孩想要出来玩似的，但是它们出来的时候是乱糟糟地分散着跑出来的。
这个时候，光纤准直镜能够通过镜片的特殊形状和光学性能，把这些分散的光线给“管”住，让它们排队变成平行整齐的光线。
光纤准直镜的原理和光学透镜的一些原理是相关的。
咱们说到光学透镜，比如说放大镜，它可以聚焦光线，这就是利用了透镜的折射原理。
光纤准直镜也是利用这个折射原理。
打个比方吧，光纤准直镜就像是一个严格的交通指挥员，那些光线就是东奔西跑想要去不同方向的车辆，指挥员利用交通规则（折射原理）让车辆沿着规定的路线（变成平行光）行驶。
这里说个有趣的学习经历。
我一开始也不明白光纤准直镜这个东西，觉得这么个小小的镜片怎么就能把乱七八糟的光线变整齐呢？后来看了一些资料，里面讲了越是精确的光纤准直镜，对于镜片的形状、折射率这些参数要求越高，这就像咱们做一件精细的手工艺品一样，每一个角度、每一种材料都要特别设计才能达到最后的效果。
说到这里，你可能会问，光纤准直镜在实际中有啥用呢？其实应用的地方还真不少呢。
像光纤通信这一块儿，需要把光高效准确地传输，那光纤准直镜就能发挥很大的作用。
使得光信号能尽可能低损耗地传输到远方。
再比如说一些光学的检测设备中，要保证光线的平行度来提高检测的精度，这时候光纤准直镜就必不可少啦。
然而呢，我们也要注意，光纤准直镜在使用中也有一些要求。
因为它的性能对于环境和安装的准确性比较敏感。
如果安装的时候角度有点偏差，或者周围的温度变化特别大造成镜片变形之类的情况，就可能影响到准直的效果。
准直器工作原理
准直器工作原理
准直器是一种常见的光学仪器，用于将自发辐射的光束准直成一
条平行光线。
准直器的工作原理是利用反射和折射的原理，结合透镜、光阑、反光镜等元件，将不规则光束转换成规则光束。
准直器的主要部件包括透镜、光阑和反光镜。
首先，透镜作为主
要光学元件，用于将光束聚集成一点。
当光线通过透镜时，会发生折
射现象。
透镜的弧面形状和特定的曲率可以使发散的光线聚集到一个
点上，形成光斑。
其次，光阑是一种用于控制光线大小和方向的装置，可以减弱或
隔离光线。
在准直器中，光阑起到控制入射光线的作用，避免光线过
于散射或扩散，保证光线的稳定性。
最后，反光镜是一种能够反射光线的平面镜，用于改变光线传播
方向和角度。
在准直器中，反光镜通常被用于将光线从水平方向反射
到垂直方向，或者反射光线使其形成一个直角，使光线的方向规则并
标准化。
准直器的工作原理是利用透镜、光阑和反光镜相结合的原理，将
发散的、散乱的光线在一系列光学元件的作用下聚集成一条平行光线。
在实际应用中，准直器通常被用于光通信、激光科学、医疗、地质勘
探等领域。
总的来说，准直器的工作原理是利用透镜、光阑和反光镜的特性，将不规则、发散的光束转化成一条规则的平行光线。
准直器的设计和
使用需要具备一定的光学知识和技能，有效的准直操作能够提高实验
和制造过程的准确性和可靠性。
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。
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光纤准直器原理
曾孝奇
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，i q （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为：
()()()
z w i z R z q 211πλ
-=， （1） ()z f z z R 2
+=，()2
01⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+=f z w z w ，λπ2
0w f =； （2） 图1中，i q （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01w 和02w 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，
D
Cq B
Aq q ++=
112， （3）
而且，l q q +=01，2/32w l q q -=，12
010if w i q ==λπ，22
023if w i q ==λ
π。
这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小：
()
()
2
12
01
02Cf D Cl BC
AD w w ++-=， （4）
工作距离：
()()()()2
12212
Cf D Cl ACf D Cl B Al l w +++++-=， （5）
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：
1
2
1
2f C ACf BC AD l w --≤
， （6） 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
()()
121max /2f C ACf BC AD l w --=。
此时，我们得到：C
D f l -
=1。
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：
()
()
()
()
⎥⎥
⎥
⎦
⎤⎢⎢⎢
⎣⎡
-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡L A L
A A n L A A n L A D C
B A o
o cos sin sin
1
cos ， （7） 其中，0n 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0n ，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：
()⎥
⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎣⎡-+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡nR L n R
n n L D C B A 1111。
（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μm 501=w 。
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：
表1 已制作C lens 准直器beamscan 数据与理论计算值比较
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：
()()
2
2012
22012
max 1121-≈-+-=n w R n R n w R l w πλπλ。
（9） 在这里，由于R~mm ， n-1~1，在估算C lens 准直器最大工作距离时我们可以省略掉
1
2-n R
项。
从方程（9），我们可以看到，C lens 准直器的最大工作距离是由它的曲率半径决定的，它跟曲率半径的平方成正比，因此我们可以容易选用大的曲率半径的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。