一. 简介

自由空间光通信利用激光作为通信载体，以自由空间或大气等介质作为信道，从而进行通信双方间的信息传输。与传统的微波通信相比，自由空间光通信具有诸多明显优势，如容量大、抗干扰能力强、结构简单、组网灵活等。

在未来全光网络通信中，光纤与光源、光纤之间的光耦合技术，将成为关键技术之一。准直器属于光纤通信光器件的用于输入输出的一个光学元件，光纤传出的发散光经过前置的凸透镜变成平行光（高斯光束）。它的作用是使光纤光准直输入自由空间中，使自由空间光以最大效率耦合进入所需的器件中或实现光信号最大效率的接收。

二. 发散角说明

光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度。在自由空间光通信的应用中需要非常低的光束发散角。具有非常小发散角的光束，例如光束半径在很长的传输距离内接近常数，被称为准直光束。由于波动性，光束中存在一些发散是不可避免的（假设光在各向同性介质中传输），紧聚焦光束的发散角更大。如果一个光束发散角远大于物理上决定的发散角，那么光束就具有很差的光束质量。

对高斯光束，设理想薄透镜（所谓理想薄透镜，是指在光路中引入的理想薄透镜不影响光束的强度分布，不截断光束，紧靠透镜两边的光斑大小和光强分布完全一样）的焦距为 f，光腰半径为的高斯光束在透镜焦平面上的光斑半径为：

高斯光束的远场发散半角为：

其中为高斯光束束腰半径，为薄透镜焦距，为波长在会聚透镜的后焦面内测量光斑尺寸，光斑直径与聚焦透镜焦距之比即出远为场发散全角。

三. 测试实例

1. 实验装置

     1550 nm 20 mW光纤激光器、1000 mm无像差标准透镜AD530-C、1550 nm非球面准直器AFC1550-2.1-APC、光束质量分析仪、30 mm同轴系统镜架AMC-1A、光壁转接件UTAD-11。

2. 计算公式

发散角（rad）=焦平面上光斑大小/聚焦透镜焦距。

3. 测试光路

光纤激光器发出稳定的激光束，通过光纤输入准直器，再由准直器输出准直光束，通过聚焦标准透镜后，输入光束质量分析仪中（光束质量分析仪安装在标准透镜后焦平面上），测出光斑大小，便可计算出准直光束的发散角大小。

（上图：准直器发散角测试光路）

4. 实验步骤

（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入射在标准透镜中心位置。）

（2）微调准直器的同轴安装架，使得光束质量分析的光斑位于中心十字位。

（3）记录数据（记录图像以及光斑最大值以及最小数据）。

注：在使用光束质量分析仪的软件时，需要将波长调整至我们使用的实际波长，否则会出现光斑与实际不符的情况；不同光束质量分析仪可能会存在一定的读数差异。

（4）计算发散角，,为焦平面上光斑大小，f 为标准透镜焦距。单位为rad，如需转换成单位°，。

5. 数据处理

    记录光束质量分析图像和数据，计算出发散角，对比理论标准，引起误差的原因分析可能包括：

（1）小光斑导致光束质量分析仪引起误差；

（2）光路是否等高同轴，平行光束是否恰好通过透镜中心；

（3）光纤头是否被污染；

（4）光斑质量（大小）是否需要整形。

6. 仪器使用中注意事项

（1）由于红外激光对眼的视网膜具有不可修复性伤害，所以不许人的眼线与光线所走的水平面重合，更不许用眼激光直接打进眼睛，做好光线格挡，避免光束外露，以免对人体造成伤害；

（2）光纤很脆，需小心拿放，以免折断；

（3）光纤头不得长时间暴露空气中，更不得触碰，以免受到污染（若光纤头脏了，需用专业试纸擦拭）；

（4）保证测试环境的稳定。

7. 数据样本

样本一：

样本二：

样本三：