可调焦准直器

一、定义

光纤准直器是光纤信号传输中的一种常用的无源光器件。光纤准直器可以将光纤输出端的发散光经由内部的透镜转变为准直光（平行光），也可将自由空间内的平行光耦合进光纤之中。光纤准直器与光纤的连接方式主要有两类，第一类为与裸露光纤直接接触，此种方式较为简便，准直器通常永久连接在光纤上；第二类光纤准直器与光纤连接器之间存在机械截面，此类准直器可以很方便的从光纤接头上安装或者去除。用户可根据实际需要选用不同接头类型，例如PC、APC及SMA等。

二、特点

1.将光纤输出的发散光转变为准直光；

2.根据实际需求选用适配类型接头的光纤准直器。

三、说明

光纤模式是光波在光纤中传输过程中稳定存在的场分布形式，单模光纤出射光通常具有高斯分布，基模在纤芯区域轴心线处光强最大，随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。通常用模场直径(MFD，光强降低到轴心线处最大光强的1/e²的各点中两点最大距离)表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。

在使用准直器对光纤输出光进行准直时，主要需要注意三个参数：光束发散角、输出光束直径及最大束腰距离。根据发散角定义，理论上可以使用以下公式估算该发散角（全角）：

\( \theta \approx \frac{MFD}{f } \cdot \frac{180}{ \pi} \)

其中，f是准直器的焦距。此公式适用于单模光纤，多模光纤输出光往往呈现非高斯分布，若套用此公式得出的发散角会小于实际发散角。

输出光束直径则可根据下式进行近似计算：

\( d \approx 4\lambda \frac{f}{\pi \cdot MFD} \)

其中，λ为入射光波长；实际传输中由于发散角的存在，输出光束为维持准直，其束腰距离透镜存在一个最大距离，称为最大束腰距离，近似为：

\( z_{max}\approx f+\frac{2f^{2}\lambda }{\pi\cdot MFD^{2}} \)

四、旋转式可调焦准直器

1.机械性能

旋转式可调焦准直器内部采用不锈钢材料，有优秀的机械性能，具备高强度和良好的韧性，能够承受一定的载荷和冲击力，满足大多数机械结构的使用要求。同时具有良好的耐腐蚀性，在大多数环境中，如空气、水、一些常见的化学物质中，都能表现出较好的耐腐蚀性能，不易生锈。同时耐热性能优秀，该材料在一定程度上能够承受较高的工作温度而不丧失其机械性能或发生显著的物理形态变化。

旋转式可调焦准直器，采用弹簧＋镜片结构，旋转旋钮即可进行Z轴调节，相对来说更加简易，不需要借助其他外物进行调节。

2.光学性能

内部光学元件采用非球面透镜，用于准直单一波长，并针对球面像差进行校正。设计波长下提供衍射极限性能，它镀有A/B/C膜层，分别用在350-700nm，600-1050 nm，1000-1700 nm。焦点位置随波长变化很大，因此准直器必须在波长发生任何变化后需要重新校准。校准步骤可参考调节说明，由于模压非球面的制造过程镜头性能是有限的，这种镜头类型适合UHV应用。

3.焦点调节

调节前端Z轴旋钮时，弹簧会带动镜片进行平移运动，从而达成焦距调节目的。

图1 旋转式可调焦准直器结构图

调节说明

一、结构

旋转式可调焦准直器，内部采用弹簧结构，如图1所示，使用时调节Z轴旋钮，使得弹簧向外推透镜。

图1旋转式可调焦准直器结构图

二、准直调节

方式一：查看光斑进行准直调节

具体步骤如下：

1.将可调焦准直器固定在夹具（建议使用3轴以上可调夹具）上，保证其在调节过程中不可被移动；

2.按照图示安装光路，保证光路位于同一高度，同一水平线上，将光束质量分析仪安装在标准距离后位置（标准距离越远，调节准直精度越高）。

图2 光斑法调节光路

3.通过ZEMAX，计算出该标准距离下，光斑大小的理论值。

3.1打开该产品下的ZEMAX文件,这里举例使用11mm焦距产品。设置①光纤数值孔径以及波长，以及设置查看光斑的标准距离（举例使用的标准距离为500mm）。

图3 ZEMAX操作步骤1

3.2将透镜与光纤之间的距离设置为变量，在使用函数进行优化最佳距离，查看光斑

图4 ZEMAX操作步骤2

3.3在使用函数GBPD与GBPS，其中GBPD此操作数用于返回近轴高斯光束发散角,GBPS操作数可以返回由近轴高斯光束分析工具计算的近轴高斯光束大小。在操作函数中选中像面(面4），选中波长，输入W0（光纤的模厂半径MFD/2，常见可见下方光纤型号表），将发散角函数GBPD权重设置为1，执行优化,刷新评价函数编辑器，在GBPS评估那栏查看光斑大小。（光斑大小为半径，单位为mm）可看到举例光斑为1.018mm即光斑直径为2.036mm。

图5 ZEMAX操作步骤3

常用光纤型号参数表

4.使用调节：旋转调节旋钮，调节透镜前后距离，查看光束质量分析仪光斑值，当达到标准距离的光斑值时，即可停下调节，调节完成。

图6 调节示意图

方式二：查看发散角进行准直调节

具体步骤如下：

1.按照图示搭建光路，调试系统保证各光学元件的光轴位于同一高度，同一水平线上。将光束质量分析仪安装在标准透镜后焦平面位置。需注意准直器出射光斑需要打在标准透镜中心位置，且聚焦透镜选择焦距越大，调节准直精度越高。

图7 发散角法调节光路

2.使用调节：旋转调节旋钮，调节透镜前后距离，查看光束质量分析仪光斑值，调节至最小光斑时，即为最小发散角，可判定为最准直状态。

图8 调节示意图