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，iq （i=0,1,2,3）为高斯光束的q 参数，q 参数定义为：    zwizRzq211， （1）  zfzzR2， 20 1fzwzw，20wf ； （2） 图 1 中，iq （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，lw 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， DCqBAqq112， （3） 而且，lqq01，2/32wlqq，12010ifwiq，22023ifwiq。 这样，我们可以得到经过透镜后的束腰大小： 2120102CfDClBCADww， （4） 工作距离： 212212CfDClACfDClBAllw， （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： 1212fCACfBCADlw， （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/2fCACfBCADlw。此时，我们得到： CDfl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： LALAAnLAAnLADCBAoo cossinsin1cos， （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...