准直器在超快光路中的应用

飞秒激光加工、泵浦探测、非线性光学、宽谱显微成像——这些超快应用有一个共同要求：稳定、低色散、高质量的光束传输。而准直器，正是这条链路上常被忽略却最不能出错的环节之一。在超快光路中，准直器常常决定后续光路是否好调、是否稳定、是否能保持光束质量。

 

 

图1 通过差频产生中红外光束的实验装置
图源：Li B., Fu Y., Zhang J., Ma W. Mid-infrared difference-frequency generation pumped by GHz repetition-rate active synchronization ultrashort pulse lasers[J]. Optics and Laser Technology, 2026, 203: 115573.

 

在超快光路中，准直器最核心的用法是将光纤中传输的激光高效、低损耗地转换为自由空间准直光束，从而为后续的光学操作——偏振调控、时域同步、空间耦合和非线性频率变换提供高质量的输入光源。以图 1 所示的差频产生（DFG）中红外光源为例：泵浦激光经Col2准直后，依次通过半波片HWP1 调节偏振方向和延时镜组实现与信号光的时间同步；信号光则由Col1准直输出，经HWP2 和透镜组 L1/L2 缩束后，最终两束光在二色镜 DM1 处合束共线入射 PPLN 晶体，完成差频变频。可见，两个准直器的出射光束质量直接决定了后续模匹配效率与非线性转换效率，是整个系统中不可替代的关键接口器件。

 

对于飞秒脉冲和宽谱光源而言，准直器还需要面对更严苛的挑战：宽光谱下的焦点漂移、额外群延迟色散、长距离传输中的波前误差，以及紧凑系统中的安装与调焦空间限制。

为满足超快光路中的不同准直需求，LBTEK提供多款准直器方案，覆盖全反射无色差、消色差变焦、大口径低波前、紧凑可调焦等技术路径。下面，就让我们一起看看这四类准直器在超快系统中的应用特点。

反射式准直器：超宽谱超快应用唯一解决方案

 

图2 反射式准直器

 

对于飞秒激光、白光连续谱和多波长共线光路而言，色散控制是准直环节的关键问题。反射式准直器采用反射式光学结构，准直过程为纯反射而非折射，仅引入镀膜的少量群延迟色散（通常远低于单片透射透镜），对飞秒脉冲时域展宽的影响可忽略不计。

 

反射式设计，适用于宽谱光束准直；

 

图3 反射式准直器结构示意图

 

无色差特性，有助于减少不同波长之间的焦点漂移；

低群延迟色散，更利于保持超短脉冲时域特性。

可调焦光纤准直器：激光内腔精密耦合首选方案

 

图4 978 nm九字腔色散管理孤子光纤激光器实验装置图
图源：上海光机所，《Generation of 978 nm dispersion-managed solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser》

在光纤激光器、半导体激光器耦合输出、小型检测设备和模块化光学系统中，准直器不仅要便于调焦，更要在长期使用中保持结构稳定。可调焦光纤准直器通过调节透镜与光纤端面的相对位置，优化输出准直状态，调试完成后可直接经由调节孔注胶，方便激光器等的封装及同时提高长期稳定性。

 

准直器机械件采用镍铜合金，表面镀镍，防锈、耐热、耐腐蚀，具备优秀的导电性能；

安装透镜摒弃点胶工艺，使用机械件固定，不易受到温湿度等环境因素影响，可靠性强；

 

图5 可调焦光纤准直器结构示意图

 

可调焦结构便于优化输出发散角或耦合效率，适合激光器输出端和小型化模块调试；

结构紧凑，可用于空间受限的光路集成，减少系统体积占用。

大口径消色差准直器：宽谱低像差自由空间传输利器

 

图6 消色差大口径光纤准直器

 

当光束需要长距离传输，或进入扩束、空间滤波、扫描振镜、显微照明等后级模块时，准直器的通光口径、波前质量和指向稳定性会变得格外重要。大口径消色差准直器可为更大的光斑和更低发散角提供空间，同时降低不同波长下的焦点偏移影响。

 

大通光口径，适合更大光斑和长距离自由空间传输；

消色差结构，可减小宽波段应用中的焦距偏移；

低波误差低至λ/6，有助于提升后级聚焦、扫描或成像质量。

变焦光纤准直器：准直光束直径大小连续可调的独家方案

 

图7 变焦光纤准直器

 

在超快实验搭建过程中，光源、光纤、扩束模块、扫描模块和探测模块经常需要反复匹配。固定焦距准直器结构简单，但当系统需要改变输出光斑、优化工作距离或适配不同下游模块时，变焦结构可以提供更大的调试余量。

 

消色差设计，适用于宽波段准直与耦合；

焦距可调，可根据实验需求优化光束直径和发散角；

指向漂移＜1 mrad，在调节光束尺寸时，不会干扰任何已经连接的部件，因此具备优异的指向稳定性；

适合作为研发阶段的灵活接口，减少频繁更换准直器带来的搭建成本。

快速选型一览表

 

选型小提示：
· 光谱很宽、脉冲很短，优先关注反射式准直器；
· 系统空间紧、接口多、需要快速耦合，优先关注可调焦光纤准直器；· 光束需要走得远、后级对波前质量敏感，优先关注消色差大口径光纤准直器；
· 光路参数还在调，需要保留焦距和光斑调节余量，优先关注变焦光纤准直器。

结语

 

超快光路中的每一次准直，都是光纤传输与自由空间操控之间的关键转换。准直器选得合适，可以减少后续调试压力，提高光路稳定性，也能帮助系统更好地保持脉冲质量和光束质量。

从宽谱低色散到消色差变焦，从大口径低波前到紧凑可调焦，LBTEK准直器为超快光路提供多种可选方案。除了标准产品，LBTEK还可根据具体需求提供波长范围、输出光斑直径、接口形式、结构尺寸等定制支持。

具体选型与定制需求，欢迎联系LBTEK技术支持。