选型指南

一、用作准直需求

1、举个例子，假如您的需求为：① 光纤经准直输出后的光斑直径为D=2.0 mm；② 您光源波长为λ=780 nm；③ 使用光纤为780-HP；④ 接头为FC/PC。

    1.1 首先确定您的光源波长，350 - 700 nm选择A膜、600 - 1050 nm选择B膜、1050 - 1620 nm选择C膜，这里根据您的光源波长780 nm选择B膜；

    1.2 其次根据您想获得的准直光束光斑尺寸代入如下公式计算对应焦距，光源波长为λ=780 nm，使用光纤为780-HP，对应的光纤MFD=5.0 μm：

\( f=\frac{π×（2000 \mu m）×（5.0 \mu m）}{4×（0.780 \mu m）} =10.1 mm \)

    由上公式可得透镜焦距f=10.1 mm（注意计算时所有单位需一致）。可以发现与10.6 mm最接近的焦距为11 mm，因此可选焦距f=11 mm;

    1.3 再根据您的接头FC/PC，最终可确定推荐型号为：FP5-F11P-B。 其中PF5代表五轴光纤耦合器/准直器，F11代表焦距为11 mm，P表示接头类型为FC/PC，-B代表增透膜为B膜。

二、用作耦合需求

      耦合与准直传输路径正好相反，需要将空间中传输的准直光束经透镜聚焦后耦合到光纤中。要求聚焦后打在光纤端面的光斑直径d 要小于等于光纤的模场直径MFD（针对单模光纤）。

举个例子，假如您的需求为：① 需要耦合至光线中传输的准直光束光斑直径为D=3 mm；② 您光源波长为λ=633 nm；③ 使用光纤为630-HP；④ 接头为FC/PC。

1、首先，根据光纤型号以及波长，通过查表可知光纤的MFD约为4.3 μm；

2、其次，根据准直计算中的公式（两者计算原理一致），聚焦后的光斑直径d （即公式中的MFD）代入到上式有：

      可得到焦距f=16 mm，选择焦距小于并最接近16 mm 的15.3 mm焦距即可。

3、最后，根据接头FC/PC，锁定型号为：FP5-F15P-A（即将上线）。

高斯光束常用计算公式

一、高斯光束发散角

1、定义：

    1.1、经透镜准直后发散角全角理论近似计算（单位：°）：

式中MFD是光纤的模场直径，f是准直器焦距。在计算过程中需要特别注意方程中MFD和f必须使用相同的单位。

    1.2 、举个例子

    当使用Nufern的780-HP单模光纤连接五轴光纤耦合器/准直器的FP5-F4P-B作为准直输出时，通过光纤规格书可知：

    MFD = 5.0 µm，f ≈ 4.0 mm。

    则发散角为：

    θ ≈ (0.0035 mm / 4.0 mm)×(180/3.1416) ≈ 0.050° or 0.875 mrad

二、输出光束直径的理论近似

1、 输出光束的直径可以通过下式近似：

其中λ是光波长，MFD是模场直径，f是准直器的焦距。

2、 举个例子：

    当使用带单模光纤如460-HP(MFD = 3.5 µm)及450 nm光的FP5-F5P-B五轴准直器(f = 4.6 mm)时，输出光束直径为：

    4×(450 nm)×[4.6 mm / (π ·×3.5 µm)] = 0.75 mm

三、最大束腰距离的理论计算

1、 最大束腰距离，是指为了维持准直，束腰可以距离透镜最远的距离，近似为：

其中f是准直器的焦距，λ是光波长，MFD是模场直径。

2、 举个例子：

    FP5-F5P-A准直器配合780-HP单模光纤跳线一起使用时，MFD = 3.5 µm、f ≈ 4.6 mm、λ = 450 nm，这样最大束腰距离近似为：

    4 mm + 2× (4.6 mm)2 ×(450 nm) / [(3.1416) ×(3.5 µm)2)] = 499 mm

常用光纤型号参数表

注：

1、 不同厂家的单模光纤在对应波段参数基本一致；

2、同型号非保偏单模与保偏单模在基本参数基本上一致，如MFD、波段范围、NA等；

3、 光纤跳线参数本质上就是光纤参数，跳线是在光纤基础上增加了互联对接机构-接头（FC/APC、FC/PC、SMA、LC、SC等）以及起保护光纤作用的塑料或者金属外套。

操作指导

一、产品结构图

图1 五轴光纤耦合器/准直器结构图

二、Zθ调节（Z轴方向以及俯仰偏摆）

    每个五轴光纤耦合器都包含一个通过环形磁铁吸附在偏移板上的透镜（图一中的lens cell就吸附在Tite plate偏转板上，随着调节器螺丝顶动偏转板移动）。装有透镜的偏移板由三个Zθ调节器驱动，如图2中的青色标记位置所示。调节器标有Zθ1、Zθ2或Zθ3，便于区分已使用或将使用的调节器。

图2 三个Zθ调节旋钮

1、调节Z轴位置（即透镜与光纤之间的间距-焦距）

    依次等量转动三个Zθ调节器，则可实现Z方向平移。Z轴平移范围为±1.0 mm。顺时针转动使透镜和光纤距离增加，逆时针转动使透镜与光纤距离减小。

2、调节俯仰偏摆角度

    根据实际光束偏移情况或耦合调节需求，可单独转动任意一Zθ调节器以补偿光束的偏移。

3、完成最终调节之后，偏移板的位置可以通过附带的锁环锁定。维持对准的同时可以锁定这些调节螺丝。

注：偏移板的平移机制与我们调整架的销钉/弹簧结构非常相似。每个调节器顶端都有一个硬质钢球，通过陶瓷柱底座支撑。钢球端和陶瓷底座通过高温、低释气环氧树脂粘合，以提供稳定的耐磨损运动系统。拉伸弹簧对精调螺丝提供反作用力。

三、X/Y方向调节

图3 X和Y方向调节旋钮

1、X方向调节

    五轴光纤耦合器侧边有一个调节器，标注有“X”字样，如图绿色标记位置。通过旋转可调节透镜X轴方向位置；顺时针旋转，顶丝向下顶动透镜，反之向上；

2、Y方向调节

    五轴光纤耦合器顶部有一个调节器，标注有“Y”字样，如图黄色标记位置。通过旋转可调节透镜X轴方向位置；顺时针旋转，顶丝向右顶动透镜，反之向左；

    透镜在X和Y方向的行程范围为±0.7 mm。值得注意的是用于标准的准直或耦合应用时，实际调节量会比行程范围小很多，因此调节量程范围是足够使用的。

3、X/Y张力调节

    每个X/Y调节器都可以使用五轴光纤耦合器表面上相应的张力螺丝调节张力。通过收紧调节器的张力，易于对透镜位置进行细微调节，而不会超出恰当的位置。相反，松弛张力，则易于不施加过大的力而进行较大的调整。

图4 X/Y张力调节旋钮

4、偏移板锁定

    可以使用五轴光纤耦合器底部的固定螺丝（LOCK标识）来保持X和Y调节螺丝的位置。大多数应用环境不需要锁定。例如，处于低振动环境中，则不需要锁定螺丝。

图5 偏移板锁定旋钮

准直与耦合调节指南

一、单器件准直输出调试步骤

1、 预对准

    利用五轴光纤耦合器/准直器来耦合光纤或准直输出之前，需要确认五轴光纤耦合器/准直器是否已经预对准（即偏移板垂直于光轴）。如果未进行对准，耦合效率会低于最佳效果，即便在之后的对准过程中小心使用也会如此。如果您的五轴光纤耦合器/准直器在发货前已经预准直，或需要在不同的波长下准直，请按照以下步骤操作，以获得最佳性能。

图1 调节偏移板垂直正交于光轴，实现最优对准效果

2、使用激光器：

    2.1 将五轴光纤耦合器/准直器固定在夹具上，保证其在调节过程中不可被移动；

    2.2 逆时针转动Zθ调节螺丝，直到观察到旋转调节螺丝不再移动偏移板即可。同时调节X/Y调节器使透镜居于中心位置；

    2.3 将光纤输出激光器的跳线接头与五轴光纤耦合器/准直器相连接；

    2.4 将光束对准观察屏；

    2.5 等量有序的转动3个Zθ调节螺丝，直到观察屏上的光束开始移动时，证明调节器螺丝与偏移板开始接触。调节三个调节螺丝至刚刚接触但不对光束产生偏移的状态，保证偏移板与光束传输方向垂直（即与光轴垂直）。

3、 调节光纤端面至透镜焦点位置

    3.1 首先顺时针依次等量转动三个Zθ调节螺丝（最好是整数圈数，1/2,1/4圈等，方便标识记忆），透镜远离光纤，观察此时光斑变化情况，如果光束汇聚，则透镜离光纤太远，需要反过来逆时针操作。如果光束发散，则透镜太靠近光纤。则继续顺时针转动调节螺丝。

图2 （a）光束聚焦，则逆时针调节，透镜靠近光纤；（b）光束发散，则顺时针调节，透镜远离光纤。

    3.2 如何判定光束是否准直：前后移动观察屏，若前后距离光斑尺寸基本一致，则可判定光束已基本准直。

二、单器件耦合空间光至光纤

1、 预对准（同1.1操作）

2、 调节光纤端面至透镜焦点位置（与准直输出镜像，同样需要将光纤端面置于焦点位置附近获得最大耦合效率）

    2.1 首先将五轴光纤耦合器/准直器固定在夹具上，调整需要耦合的光束位置，使其尽可能地垂直入射至耦合器的透镜中心；

    2.2 使用观察屏（红外/紫外使用对应的显色卡）在接口端观察，是否有完整的圆形发散光斑出射，没有的话则需要调整入射光束相对于透镜的位置（主要是光束偏心或者角度不对）；

    2.3 （调耦合小诀窍）将光纤接头插入耦合器接口，先不旋紧，手动前后移动接头，同时观察功率计上的光功率是否有变化，在功率较大的位置先停止移动接头（原因：因为一开始焦点大概率会偏离旋紧光纤位置，若直接将接头旋紧，找到初始耦合功率波动的位置会比较花费时间。手动移动接头可快速调整至一个当前局部最靠近焦点的位置，只有耦合功率发生初步变化波动，才能更快速的进行有指向性的调节）；

    2.4 以此重复调节X/Y调节旋钮，使功率值达到最高（说明透镜基本调至中心位置）；

    2.5 将接头完全插入，并旋紧螺纹（此时功率会有较大幅度下降，但不会特别微弱，因为此时焦点位置并不在光纤上）；

    2.6 前面我们将透镜调节至了光轴中心，接下来我们将进一步调节偏移板（即透镜）与光轴垂直；

    2.7 依次调节三个Zθ螺纹，每个螺纹调节至功率最高再调节下一个螺纹，循环调节直至功率达到局部最大值；

    2.8 依次等量顺时针调节三个Zθ螺纹（等量调节等于调节Z方向的距离，也即透镜与光纤之间的距离），观察耦合功率是否增大，若增大则说明选择方向正确，若功率减小则说明选择方向错误，需要改为逆时针调节；

    2.9 调节前两个旋钮式时耦合功率会变小（因为三点式调节机构，调节1-2个点会产生角度偏移），当调节第三个螺纹时，功率会大幅提升（角度回正，同时距离更接近焦距）；

    2.10 当耦合效率接近此系统极限时，功率随调节距离的变化会十分敏感。若最开始为1圈1圈旋进，则接近最佳耦合效率时需要依次递减旋进量为1/2圈、1/4圈、1/8圈甚至1/16圈等；

    2.11 当旋进方向功率降低时，需及时进行反方向旋转（在耦合效率在60-80 %之间时，转变方向旋进时建议旋进量作递减）。每调节3-4个循环，建议重复依次2.7步操作，补偿每次三个Zθ旋进的差量；

    2.12 重复2.7 - 2.10，直至耦合效率达到最大值，则完成本次耦合调节。 

五轴光纤耦合器/准直器应用案例

一、五轴光纤耦合器/准直器的优势

1、焦距可调，可兼容多工作波长

    常规的准直器针对于特定设计波长设计并调试准直，只针对设计波长有最佳准直效果，当使用波长偏离设计波长时，准直度会逐步下降；

    而五轴光纤耦合器/准直器，可以因为Z轴可调，可实现在膜系波段范围内焦距可调，可针对使用波长进行调节灵活使用，一个顶多个常规准直器。其次除了常规的准直输出，若你需要要将光束聚焦在透镜前某一点，也可以通过它来实现，具有丰富的适用场景范围。

2、高度集成小型化，应用便捷

    五轴光纤耦合器/准直器体积只有28.6×35×17.7 mm（不包含接头凸出部分），比常规准直器+五轴光学调整架体积至少小了3倍，同时具有四个螺孔，可非常方便的集成在各种壳体、激光器上作为输入、输出组件。高度集成的五轴调节机构，使其在极小的空间范围内也可很轻松的完成光束调节、准直与耦合的工作。

二、小空间内的三轴可调节光纤准直输出

    在光纤光学实验和实际应用中，我们经常需 要将光纤（光纤链路或者光纤输出的激光器）中传输的光转换成不同尺寸自由空间准直光束。最常用的当属于各种波长类型各种焦距的固定式非球准直器。用户可以根据实际所需要的自由空间准直器光束光斑尺寸挑选对应光斑、焦距的准直器。但此类固定式准直器只能应用在固定单一波长，对客户实际激光器波长可能会有偏差或者需要应用在多波长环境中，此时五轴光纤准直器即可完美满足用户需求。用户可根据实际的光束波长进行实时调节，更方便、波长匹配更准确。

三、激光器耦合至光纤输出（光纤耦合激光器应用）

1、与光纤准直器输出相反，同样有许多用户存在以下情况：

    1.1 手中只有自由空间输出的激光器，但是想要将自由空光耦合至光纤传输系统中；

    1.2 在光学系统中，某个局部光路采用光纤传输更具备优势，因此希望在局部光路中将光束或者支路光束耦合至光纤中传输处理；

    1.3 其它。

    在以上或者其它相似应用中，因为不同激光器的输出光束能量分布情况、发散角等参数各有不同、光路中光束经多个元件后光束传播角度、发散情况也存在变化，在进行光束耦合调试时具备五轴调节维度的五轴光纤耦合器/准直器即具备很大的高度集成化的优势，可在小空间内即根据不同的光束质量状态完成焦距、角度的匹配耦合，达到最佳耦合效率。

四、高度小型化集成的光纤传输系统

    光在光纤中传输是在不断地变化的。能量会衰减、消光比会下降、偏振态劣化等，或者我们常常因为不同实验目的的要求，需要对光纤传输的光加载额外的信息。针对这些情况，我们通常都需要将光纤汇总传输的光先使用一个准直器转换成自用空间中传输的光束，然后再经过不同的光学元件进行光束处理，最后再通过准直器/耦合器耦合回光纤中传输。LBTEK五轴光纤准直器/耦合器可完美适用于这种需求中。