光纤准直器选型指南

在光纤与自由空间光路之间的连接过程中，光纤准直器是最常见也最基础的器件之一。它可以将光纤输出端的发散光经由内部的透镜转变为准直光（平行光），也可将自由空间内的平行光耦合进光纤之中。

 

 

目前常见的光纤准直器形态较多，按功能和调节方式来看，常见的有固定式和可调式；按光学结构来看，又可分为透射式和反射式。具体到产品设计上，固定式准直器内部又包含非球面、消色差等不同类型；可调式准直器则包括调焦、多轴调节准直器等。不同类型之间，适用场景和结构侧重点并不相同，对于不同应用场景可以根据实际需求选择不同类型的准直器，具体可以参考我们之前发布的文章《准直器怎么选？从原理到案例一篇讲透》。这篇文章则是聚焦一个更实际的问题：当准直器类型已经确定后，应该如何根据参数选到合适的型号。

 

在使用准直器对光纤输出光进行准直或对自由空间的光进行耦合时，需要重点关注4个参数：光束发散角、输出光束直径、最大束腰距离以及焦距，下面我们来深入了解这4个参数。

 

光束发散角

 

光束发散角用于衡量光束从束腰向外发散的快慢，是评价准直效果的重要参数之一。发散角越小，通常说明输出光束越接近平行，更适合远距离传输或进入对光束质量要求较高的系统；发散角越大，则光束在传播过程中扩展更快，远场光斑更容易增大。根据发散角定义，理论上可以使用以下公式估算该发散角（全角）：

 

 

其中，f 是准直器的焦距、MFD 是单模光纤的模场直径。此公式适用于单模光纤，多模光纤输出光往往呈现非高斯分布，若套用此公式得出的发散角会小于实际发散角。（注：光纤的MFD一般可通过查表得到）

 

输出光斑大小

 

输出光斑大小决定了光束横截面的尺寸，是选型时最直观的关键参数之一，直接影响后续光学器件的匹配情况，例如扩束镜、隔离器及其他自由空间器件是否能够完整接收光束。输出光束直径一般可根据下式进行近似计算：

 

 

其中，λ 为入射光波长。

最大束腰距离

 

最大束腰距离是指在发散角影响下，输出光束为维持准直状态时，其束腰距透镜的最大距离，近似为：

 

 

焦距（关键参数）

 

在光纤准直器的选型中，焦距通常是最关键的参数。对于已确定类型的准直器而言，焦距不仅决定输出光斑大小，还会进一步影响光束发散角、最近束腰距离以及后续系统中的准直或耦合效果。也就是说，焦距不是单独定下来的，而是要结合输入光纤和目标光束要求一起来看。

 

从输出表现来看，焦距越长，一般输出光斑越大、发散角越小，光束更接近平行；焦距越短，输出结构会更紧凑，但光束发散通常更明显。

 

对于准直应用，这会影响光束的传播特性和后续器件匹配；对于耦合应用，则会进一步影响聚焦后的光斑尺寸以及耦合效率。若焦距选择不合适，无论用于准直还是用于耦合，都会影响最终效果：准直时，焦距过短会使输出光斑偏小、发散角增大，光束在传播过程中扩展更快；焦距过长虽可减小发散角，却会使输出光斑增大，甚至可能超出后续器件的有效通光口径；耦合时，焦距过长会使聚焦光斑偏大，不利于耦合进小模场单模光纤；焦距过短虽可减小聚焦光斑，却会带来更大的会聚角，使系统对调节精度和轴向位置更加敏感，稳定性下降。

 

 

正因为焦距会同时影响光斑大小、发散角和后续系统匹配，因此在实际选型中，焦距通常不是凭经验直接指定，而是根据目标输出需求反推得到。对于单模光纤，当工作波长和光纤模场直径确定后，若希望获得特定大小的准直光斑直径 D，可通过下式估算所需焦距：

 

 

其中，f 为准直器焦距，D 为目标准直光斑直径，MFD 为光纤模场直径，λ为工作波长。由此可以看出，目标输出光斑越大，所需焦距通常越长；当工作波长或光纤模场直径变化时，对应的焦距需求也会随之变化。

 

下面我们通过两个选型的实例来说明如何根据目标光束要求、工作波长和光纤参数反推出合适焦距，并据此选择参数匹配的准直器。

 

 

这里以我们的五轴耦合器为例，首先是在准直的场景：假设① 光纤经准直输出后的光斑直径为D=2.0 mm；② 光源波长为λ=780 nm；③ 使用光纤为780-HP；④ 接头为FC/PC。

 

先确定的光源波长，350 - 700 nm选择A膜、600 - 1050 nm选择B膜、1050 - 1620 nm选择C膜，这里根据光源的波长780 nm选择B膜；再根据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=5.0μm，代入(4)式中可得：

 

 

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10.1 mm最接近的焦距为11 mm，因此可选焦距 f=11 mm（焦距略大时，输出光斑会略大一些，但光束发散角通常更小，更有利于获得较好的准直效果和传播特性。因此，在准直场景下，适当偏大于理论值的标准焦距，往往是更稳妥的选择）。再根据接头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。

 

现在再到耦合场景，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）。假设① 需要耦合至光纤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4.3μm；

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）代入到公式（4）有：

 

 

可得到焦距 f=16 mm，选择略小于且最接近16 mm的焦距15 mm即可（焦距略小时，聚焦后的光斑通常会更小，更容易满足光纤端面对聚焦光斑尺寸的要求，从而有利于提高耦合效率；若焦距偏大，则聚焦光斑可能偏大，更容易超出光纤的有效接收范围，不利于能量高效耦合进光纤）。

 

3、最后，根据接头FC/PC，锁定型号为：AFP5-F15P-A。

 

通过这两个实例，相信大家已经对如何选择合适参数的光纤准直器有了初步认识。在实际选型的过程中，先明确目标光束要求，再结合工作波长和光纤参数反推出合适的焦距范围，最后完成具体型号匹配。掌握了这样的选型思路，面对不同应用场景时，判断也会更清晰。