一、简介

    光纤准直器作为使用最广泛的光纤光学器件之一，其形式形态多种多样，应用领域之广泛，让人眼花缭乱。

l形式上有：透射式和反射式两种实现形式。

l接口上不同有：APC接口、PC接口、SMA接口、QBH接口，以及其它无接口的一体式设计（如QCS准直输出头/带尾纤的光纤准直器）；

l镜片形式上有：单片球面、多片球面、非球面、离轴反射镜等；

l光源应用上：单模准直、多模准直、LED准直、LD准直等；

l波长划分：单波长准直、多波长消色差准直；

l焦距上：定焦准直器、变焦准直器；

l功率上划分：低功率准直器、中功率准直器、高功率准直器；

    但是不管结构形式如何变化、应用在何种领域，其核心作用依然是将由光纤（光源）输出的发散光，准直成平行光束。输出平行光束质量核心评价只有两个：光束尺寸是否达标、准直发散角（平行度）是否足够小。

二、参数解析与测试方案

1.准直光斑尺寸D（直径）

• 定义：输出光束横截面的尺寸大小，定义为能量由中心I0到1/e2（13.5%*I0）的尺寸r的2倍。

图1 光斑尺寸定义示意图

• 测试方法：

①小光斑尺寸D＜9mm，使用光束质量分析仪直接测量，分析仪自带软件可自动测量显示光束1/e2的光束直径。光束质量分析仪也分为狭缝扫描式和CCD/CMOS相机式光束质量分析仪。两种分析仪的对比如下：

图2 光束质量分析仪对比表

②大光斑尺寸

• 可见光可直接用各类尺子粗测

• 红外以及紫外光，需要使用红外感光卡或紫外感光卡使光束能被观察到，然后再使用尺子测量（一般感光卡也可以打印尺寸标识）。

  

图4 紫外先色卡和红外显色卡（图源麓邦商城）

• 一般大光斑应用对尺寸精度要求不高，几个mm的测量误差都是可接受的，有个大概尺寸即可。

2.光束发散角（准直度）

    光束准直度比较直观的解释：随着光束传播距离的增加光束尺寸增加的程度。理论上完全平行的光束（发散角=0）光束尺寸一直不变。但实际光束不是发散就是汇聚的，带有一定的发散角度，角度越小光束的尺寸变化越慢，能够在保持光束尺寸的前提下传输更远的距离，这是准直器追求的方向。

测试方法1：近场光斑法

测试仪器：光束质量分析仪

    在光束传播方向上相距一定距离L的两个位置分别测量光束的尺寸D1和D2，利用三角函数计算大致的发散角全角θ，半角为θ/2。L越大测试结果越贴近精准值，不过一般系统光路长度不会超过1米，因此测量间距L=1-2m左右即可作为参考值。（根据实际情况可适当增加不同间距的测量光斑数量以及增大间距L）

图5 近场光斑法测量发散角光路示意图

测试方法2：远场测试法

测试光路：光纤激光器发出稳定的发散激光束，通过光纤输入准直器输出准直光束，通过聚焦标准透镜聚焦后，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。

发散角θ（rad）=焦平面上光斑大小Wf/聚焦透镜焦距f。

图6 远场标准透镜法测量发散角光路示意图

测试要求：

①测试使用标准透镜为非球面透镜或者球差极小的透镜组；

②光束质量分析仪放置在标准透镜的后焦面处。后焦面位置判定方法：使用平行光管（或标准的准直器）出射平行光入射标准透镜，移动光束质量分析仪至测量聚焦光斑最小尺寸的位置，并将位置固定，即为后焦面。（标准准直器可以使厂家标定，或者是自己使用证明效果好的样件）

3.光斑椭圆度

    光斑椭圆度指的是光斑尺寸偏离正圆的程度，一般光学系统存在像散时导致（光束在X和Y方向聚焦焦距不一致，即两个垂直方向焦距有差异，在某点位置时X方向完成聚焦成为尺寸最小点，而Y方向还没到最小尺寸聚焦点，则会出现X短Y长的椭圆行光斑）。将光斑测出来最长最短的尺寸记为Dmax和Dmin(一般为椭圆形，因此两个长度一般是正交的，光束质量分析仪显示输出来会是Dx和Dy)，椭圆度定义为：

图7 光斑椭圆度计算示意图

测试方法（其实就是测光斑尺寸，只是多测一个维度尺寸）：

①光斑较小时，可以直接使用光束质量分析直接读取，光束质量分析仪自带椭圆度自动测量计算功能。

②光斑较大，还是跟前面大光斑测试方法一样采用直尺测量即（辅之以感光卡或者感光陶瓷）。

4.透过率

   透过率指的是光束入射到准直器的能量是100，出射能量是99，那么透过率=95/100*100%=99%。那么就以为着1%的能量被准直器吸收了会转换成热量。

测试方法：功率测试法

测试仪器：激光功率计（根据不同功率等级选择）

测试光路：

5.指向性

理想准直光束一般认为是垂直于镜片中心出射，但因为镜片的加工误差、机械加工误差以及装配误差，导致光束很难完全在一直保持在各透镜中心传输，因此出射时会与理想光轴成一定的角度，这个角度便是评价准直器指向性的指标。（可以简单理解为就是因为存在角度光束指向的方向不一样，因此记为指向性）。指向角度越大，随着传输距离的增大与我们预期的光束位置相差越大（因为在设计上，我们总是希望光束是完全与机械外壳的机械中心轴/光轴完全重合的，这样我们所有器件都可以同轴设置摆放）。

图9 准直器指向性偏离光路示意图

测试方法：

    将准直器装在一个可以360°旋转的工装内，让光束打在一定距离L外的观察屏上。然后让准直器绕其机械中心轴旋转360°，肉眼可见光束在观察屏上画了一个圈，在旋转过程中每间隔一段做一个标记，直道标记围成一个半径为R的圆。

光束指向角度α=arctan(R/L)，单位为rad。角度α越小，指向性越好。

测试光路：

    以上定义与测试方案为个人学习与实践经验，供大家参考学习。准直器的结构、原理和参数都相对简单，但应用却无处不在，也有很多非光学相关专业人员使用。希望能对大家有所帮助！

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