1光为什么需要准直？

想象一下，当你用手电筒照向墙壁时，光线会形成一个圆形的光斑，如下图1所示。但如果手电筒的光线能够像激光笔一样， 形成一束平行的光柱，那这种让光线保持平行状态的过程，就叫准直。在光纤通信领域，准直就是让从光纤发出的光线变成平行光，或者把平行光耦合进光纤中。这样做的目的是为了在光传输过程中减少能量损失，提高光信号的质量。

2什么情况下需要准直呢？

（1）光纤通信中

在光纤通信系统中，准直的应用场景非常广泛。

首先，当光纤输出的光需要传输较长距离时，准直就显得尤为重要。因为未准直的光在传播过程中会迅速发散，导致光能量在较短距离内就大幅衰减。通过准直，可以使光在更远的距离内保持较高的能量强度，从而实现远距离的光信号传输。

市场上各品牌的光纤准直镜一般都会有自己的独特设计，例如光品汇的光纤准直器就采用了消色差设计，这就意味着可在宽波长范围内，准直反射镜的焦距都能保持恒定。与传统的透镜准直器相比，这种设计可使准直器能够更好地应对多色光的准直需求，无需频繁调整焦距，大大提高了准直效率和稳定性。尤其是在光纤通信系统中，我们需要同时传输多种波长的光信号时，这种设计的反射式光纤准直器就能展现出优势，能够确保这些不同波长的光信号都能被准确地准直和耦合，保证了光信号的质量和传输效率。

（2）光纤耦合中

在光纤与光纤之间的耦合过程中也需要准直。例如，当我们将一束光纤中的光信号传输到另一束光纤中时，如果两束光纤的端面直接对接，由于光纤芯径较小，光线很容易在对接处发生散射和损耗。而通过准直器将光线先准直成平行光，再通过适当的聚焦系统将平行光耦合到另一束光纤中，可以大大提高耦合效率，减少光信号的损失。

（3）光纤与光学元件的连接中

在光纤与光学元件（如透镜、棱镜等）的连接中，准直也是必不可少的。这些光学元件通常需要接收平行光才能正常工作，例如在光谱分析仪中，需要将光纤输出的光准直后照射到光栅上，经过光栅分光后再进行光谱测量。如果光没有准直，就会影响光谱分析的准确性和分辨率。

（4）更多应用场景

在测试光纤放大器的增益特性时，需要将光纤输出的光准直后照射到探测器上，以准确测量光信号的强度变化。

在光学测量实验室中，准直器也发挥着重要的作用。例如，在测量光学元件的透过率、反射率和光斑尺寸等参数时，需要使用准直器将光信号准直后照射到被测元件上。

在生物医学实验室中，光纤准直器也被用于一些特殊的光学成像和检测技术。例如，在荧光显微镜中，需要将激发光准直后照射到样品上，以激发样品中的荧光物质。

在工业制造领域，光纤准直器也得到了广泛应用。例如，在激光加工和激光测量中，需要将激光光束准直后用于切割、焊接、打标等加工过程，或者用于测量物体的尺寸、形状和表面粗糙度等参数。

3准直时容易忽略的细节

准直的过程看似简单，但实际上需要注意很多细节，以确保准直效果达到最佳。光纤准直器的常用仿真模型及计算参数如图2所示。

图2 光纤准直器的常用仿真模型[1]及计算参数

首先，在选择准直器时，需要根据光纤的参数（如芯径、数值孔径等）和应用需求来确定合适的准直器型号。不同的准直器有不同的焦距、数值孔径和通光孔径等参数，这些参数会直接影响准直效果。例如，如果光纤的数值孔径较大，就需要选择一个数值孔径相匹配的准直器，以避免光线在准直过程中发生过度发散或聚焦。

表1.光品汇反射式光纤准直器产品型号表

*每个型号均可选银/铝镀层，并提供三种可选接口： FC/PC 、FC/APC 、SMA

其次，在安装准直器时，要确保准直器的光轴与光纤的轴线精确对准。任何微小的偏移都会导致准直后的光束产生倾斜或不对称，从而影响后续的光传输和耦合效果。通常需要使用精密的调整装置（如三维微调平台）来实现准直器与光纤的精确对准。

接下来，在进行准直操作时，需要根据实际的应用场景调整准直器的参数。例如，通过改变准直器与光纤之间的距离，可以调节准直光束的发散角和光斑大小。在一些应用中，可能需要较小的发散角以实现远距离传输；而在另一些应用中，则需要较大的光斑以提高耦合效率。这些参数的调整需要根据具体的实验或工程需求来进行优化。

最后，在完成准直后，还需要对准直效果进行检测和验证。可以通过测量准直光束的光斑形状、发散角和光强分布等参数来评估准直效果是否符合要求。如果发现准直效果不佳，就需要重新调整准直器的参数或检查光纤与准直器之间的对准情况，直到达到满意的准直效果为止。

图3.反射式准直器原理图[2]

反射式光纤准直器基于凹面反射镜的光学反射与聚焦特性实现工作，其原理如图3所示。当光纤输出发散光时，这些光线入射到凹面反射镜上，经反射作用后实现准直输出；反之，平行入射光经凹面反射镜反射后可聚焦到光纤端面上。其中母焦距fp、反射焦距fR以及离轴角AOff-axis共同作用决定了准直的光学性能。

与一般采用透镜折射原理的光纤准直器（如球透镜、自聚焦透镜准直器）相比，反射式光纤准直器具有诸多优点。在光学原理上，它依靠凹面反射镜的反射聚焦，可设计为离轴形式（如图中的AOff-axis），能有效避免中心遮挡问题，光学布局更为灵活。在损耗方面，反射镜对光的吸收、散射损耗相对较低，尤其适用于一些对透镜材料有吸收的特殊波长（如红外波段）场景。

4光纤准直器的那些巧思设计

光品汇的反射式光纤准直器采用了先进的光学设计和制造工艺，具有许多独特的优点，产品如图4所示。

图4.反射式光纤准直器

（1）采用了高质量的银或UV增强铝涂层

这些涂层不仅具有高反射率，能够最大限度地减少光能量的损失，还能在紫外到红外的宽波长范围内保持良好的光学性能。这意味着无论是在可见光区域，还是在红外光区域，我们的准直器都能提供优异的准直效果，满足不同应用场合的需求。

（2）低的表面粗糙度（小于100 ?）

低表面粗糙度意味着反射镜表面更加光滑，能够更精确地反射光线，减少光线在反射过程中的散射和损耗。这不仅有助于提高准直光束的质量，还能提高整个光纤通信系统的性能和可靠性。

（3）采用无磁不锈钢外壳

这种外壳不仅坚固耐用，能够保护内部的光学元件免受外界环境的影响，还具有良好的抗磁性。在一些对磁场敏感的应用场合，如磁共振成像（MRI）等，我们的无磁准直器能够避免对设备产生干扰，确保实验或检测的准确性。

5不同的搭配，让光纤准直器价值翻倍

在搭建光学系统时，有一些相关的光学元件，如透镜、棱镜和光栅可以与准直器配合使用，能够实现更复杂的光学功能。在这里分享一些小经验：

通过在准直器后面添加一个透镜，可以将准直光束聚焦到一个更小的光斑上，从而提高光信号的强度和分辨率；

图5.平凸透镜，未镀膜，N-BK7，直径 12.7 mm，焦距 15.0 mm（光品汇型号PCX11011）

通过在准直器前面添加一个光栅，可以实现对光信号的分光和波长选择，满足光谱分析和光通信等应用的需求。

还可以波分复用器（WDM）与反射式光纤准直器配合使用。波分复用器是一种能够在同一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的设备，极大地提高了光纤通信系统的容量和效率。在实际应用中，反射式光纤准直器可以将不同波长的光信号准确地准直并耦合到波分复用器中，波分复用器再将这些光信号分离或合并，实现多波长光信号的同时传输。这种组合不仅优化了光信号的传输过程，还减少了系统中的光学元件数量，降低了系统的复杂性和成本，为光纤通信网络的构建提供了更加高效、可靠的解决方案。

图6.双通道单模波分复用器FC/UPC，中心波长：1550/980 nm（光品汇型号WDM-SM-5598-FU）

结束语

反射式光纤准直器，性能优异，应用广泛，为光纤通信、光学测量、生物医学和工业制造等领域提供了可靠的光学解决方案。无论是在实验室研究还是在工业生产中，光品汇的准直器都能够帮助用户实现高效的光信号传输和精确的光学测量，推动相关领域的发展和进步。

参考文献

[1]《基于C-lens 的光子带隙光纤准直器传输特性》[J]. 北京航空航天大学学报，2017

[2]《光纤离轴抛物面反射准直器的准直误差特性分析》[J]. 光子学报，2023, 52 (5): 0552216.