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。
光纤准直器的内部结构
光纤准直器的内部结构1. 引言光纤准直器是一种用于调整光线方向的光学元件，广泛应用于光通信、激光加工、医疗设备等领域。
它可以将光线从一个光纤引导到另一个光纤，同时保持光线的传输效率。
本文将详细介绍光纤准直器的内部结构，包括光纤对准机构、透镜组件和光纤固定装置等。
2. 光纤对准机构光纤对准机构是光纤准直器的核心组成部分，它主要用于实现光纤的精确对准。
光纤对准机构通常采用微调节机构，包括X轴和Y轴的微动平台、压力调节装置和光纤夹持装置等。
•微动平台：光纤准直器的微动平台用于控制光纤在X轴和Y轴方向的移动。
它通常由两个可调节的平台组成，每个平台上固定有一个光纤夹持装置。
通过微动平台的微调，可以实现光纤的精确对准。
•压力调节装置：压力调节装置用于控制光纤夹持装置对光纤的夹持力度。
合适的夹持力度可以保证光纤的稳定固定，并且不会对光纤造成损伤。
•光纤夹持装置：光纤夹持装置是用于固定光纤的装置，通常采用V型槽结构。
光纤通过夹持装置后，可以在微动平台上进行精确的移动和对准。
3. 透镜组件透镜组件是光纤准直器中的另一个重要部分，它用于调整光线的传输方向和聚焦效果。
透镜组件通常包括凸透镜和凹透镜。
•凸透镜：凸透镜是一种中央厚边薄的透镜，其曲率半径大于透镜厚度。
凸透镜可以将光线向光轴方向聚焦，从而实现光纤之间的光耦合。
•凹透镜：凹透镜是一种中央薄边厚的透镜，其曲率半径小于透镜厚度。
凹透镜可以将光线向光轴方向发散，用于调整光线的传输方向。
透镜组件通常由多个透镜组成，通过调整透镜的位置和焦距，可以实现光纤之间的光耦合和光线的准直。
4. 光纤固定装置光纤固定装置用于固定光纤，保证光纤在光纤准直器中的稳定性和可靠性。
光纤固定装置通常包括光纤固定座、固定螺丝和固定螺母等。
•光纤固定座：光纤固定座是用于固定光纤的座位，通常采用金属材料制成。
光纤通过光纤固定座后，可以在光纤准直器中保持稳定的位置。
•固定螺丝和固定螺母：固定螺丝和固定螺母用于夹紧光纤固定座，保证光纤的稳定固定。
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。
光纤准直器的工作原理
光纤准直器的工作原理
光纤准直器是一种光器件，用于将入射的光束准直化，使其光线方向更加稳定和准确。
其工作原理基于光纤中的全反射现象和零模光束的特性。
首先，光纤准直器通常由一根光纤和一个光学透镜组成。
当入射光线进入到光纤中时，它会在光纤芯层和包层的分界面发生全反射，形成沿着光纤传输的光波导。
在光纤中，零模光束是指只有光的电场沿着光纤纵向分布的模式，而横向电场为零。
这种模式是光纤中最稳定的模式，在传输过程中衰减最小，方向也最稳定，因此被用于准
直器的设计中。
当光纤传输的光束到达准直器的末端时，它会被聚焦到一个小点上。
这个点的位置可
以通过调整透镜的位置来调整。
因为光束是一个零模光束，所以这个被聚焦的点会非常稳定，可以作为准直后的光线输出。
光纤准直器的优点在于，它可以将任意入射方向的光线都准直化。
这对于很多光学系
统来说都非常重要，特别是需要进行高精度测量和控制的系统。
另外，由于光纤的柔性和
小体积，光纤准直器也很容易被集成到光学系统中。
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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。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。