本文介绍了如何将光纤输出的光转换为自由空间中的准直光束，包括使用光纤准直器的原理、种类、应用以及准直光束的大小计算等方面的内容。

目录

1. 光纤准直器的基本类型
2. 准直光束的大小
3. 使用的透镜类型
4. 插入损耗
5. 斜角光纤端面的使用
6. 将光束引入光纤

光纤准直器的基本类型

将光纤输出的光转换为自由空间中的准直光束通常需要一个简单的准直透镜。光纤端需要固定在与透镜焦距大致相等的距离处。实际操作中，常常使用光纤准直器来实现这一点。光纤准直器有两种基本类型：一种是可以直接连接到裸光纤的，这种成本低且体积小，但一旦安装则永久性地附着在光纤上；另一种带有机械接口，如FC或SMA型，适用于连接器化光纤，可以轻松地安装和移除。

这类设备同样可以用于将准直光束引入光纤，或者实现光纤之间的耦合：利用一个光纤准直器将第一根光纤的光准直，然后通过另一个准直器聚焦到第二根光纤中。光纤连接器可视为光纤光学与自由空间光学之间的自然接口。

光纤准直器还可以与反射镜和其他光学元件结合使用，例如插入法拉第旋转器以构成光纤化法拉第镜，或使用四分之一波片以实现有效的半波片反射器。在其他情况下，可能会使用光学滤波器或饱和吸收体。

准直光束的大小

获得的准直光束的半径取决于具体情况。在某些情况下，光束直径可能与光纤直径一样小，例如125微米，瑞利长度可能小于1厘米。在其他情况下，可能需要几毫米甚至更大直径的光束。

对于单模光纤的计算较为简单。这里假设光纤模式的光束轮廓近似为高斯形状，因此我们可以应用相应的光束发散半角公式。

同时假设光纤端与透镜之间的距离接近透镜的焦距。如果距离太小，光束将发散；如果距离太大，光束将在某个距离处聚焦。适当进入后者情况可以在合适的工作距离内得到焦点（光束直径略小于准直器处的直径）。焦距越长，纵向位置的精确度要求就越低。

光纤的较小模式尺寸意味着更大的光束发散，因此对于给定的焦距会产生更大的准直光束。这也意味着，通常导致模式尺寸较小的较短波长会产生较大的输出光束。如果光纤对足够短的波长进入多模状态，这种情况会更加明显。因此，例如，一个用于红外光束的可见光导光针可能无法准确显示红外光束的大小。此外，准直的正确光纤定位可能取决于波长，尤其是在不使用消色差透镜的情况下。

使用的透镜类型

在光纤准直器中可以使用不同类型的透镜。对于标准的电信光纤和许多其他光纤，通常使用GRIN透镜（梯度折射率透镜），因为它们相对便宜且体积小。然而，对于更大光束直径的情况，例如超过几毫米的情况，人们倾向于使用常规的单片或双片透镜，这些透镜可能是球面的或有时是非球面的。例如，在自由空间光通信中，需要跨越大距离传输准直光束时，就需要这样的透镜。

特殊要求可能会导致使用特殊透镜。例如，如果需要处理波长差异较大的光束，可能会使用消色差双透镜，否则可能无法为所有波长实现适当的准直。在光纤光束发散角较大的情况下（即，对于模式半径较小的光纤），可能会使用非球面透镜以消除球面像差。

插入损耗

单个光纤准直器的插入损耗可以非常小——大约0.2分贝（即几个百分点）或者更低。它取决于多种因素，如透镜的抗反射涂层和污垢。然而，使用裸光纤或连接器化光纤不应影响插入损耗。

一对光纤准直器的插入损耗，如用于光纤到光纤耦合，可能会比两个设备插入损耗之和高得多。对于单模光纤来说，实现良好的模式匹配非常重要。显然，两个准直器应该有相同的准直光束尺寸。根据光纤在准直器中的确切纵向位置，准直器之间的某个非零距离可能是理想的。这也允许插入额外的光学元素，如光学滤波器或偏振器。

斜角光纤端面的使用

斜角光纤端面常用于抑制从光纤端面反射回芯的反射，即最大化返回损耗。不幸的是，角度会导致输出光束的一些偏转。

对于一些带有倾斜光纤连接的光纤连接器，可以通过光纤夹具的一些倾斜来补偿这一点。否则，光束将以某种角度击中透镜。在透镜后，光束的方向仍应该与光纤的方向一致（假设纵向和横向位置正确），但它会与透镜中心略有偏移。这也可能导致增加的插入损耗和光束质量恶化，如果在边缘发生一些剪切、反射或散射。

将光束引入光纤

原则上，光纤准直器也可以“反向”使用，即用于将自由空间光束引入光纤。然而，它通常不提供精细调整所需的工具（特别是对于单模光纤）。那么，调整必须通过输入光束路径中的转镜来完成。

还有带有额外调整工具的光纤发射系统，允许非可调输入光束的发射。