在进行准直器的选型之前，我们首先要明白准直器的作用及原理。

准直器（Fiber Collimator）是用于实现光纤与自由空间光路之间高质量光束转换的关键光学器件，其作用是将光纤端面输出的发散光束转换为近似平行的准直光，或反过来将自由空间中的准直光耦合进光纤。

图1 准直器效果

从工作原理上看，光纤（尤其是单模光纤）输出的光可以近似视为从纤芯端面发出的高斯发散光束，其发散角由光纤的数值孔径（NA）决定。准直器内部放置一个透镜（如非球面透镜或消像差透镜），将光纤端面精准置于透镜的焦点处，使发散光经透镜折射后转化为发散角极小的近平行准直光束。

在反向使用时，准直器的作用是将自由空间中的准直光重新聚焦到光纤端面，并使其空间模式、光斑尺寸和入射角度与光纤基模高度匹配，从而实现高耦合效率。

图2 各类准直器

那么如何根据不同的应用场景选择适合的准直器呢？今天我们来进行关于准直器选型的简单介绍。

从功能角度考虑准直器选型

定焦准直器

定焦准直器（也叫固定焦距准直器）核心特点是焦距固定、无活动调节部件且出厂预校准，以保证在特定波长和工作距离下的精准准直。其主要作用是用于将光纤光准直输出至自由空间。

准直器的核心部件是金属外壳中的透镜，透镜类型不同，准直器的功能也有所差异。

1、安装单片透镜

安装单片透镜的定焦准直器，其功能因内部透镜类型而异。其中，非球面透镜主要用于消除球差，适合单波长或窄带应用。由于采用单片结构，无法通过多片组合进行色差补偿，其有效焦距（EFL）对波长具有一定敏感性，因此在宽谱或多波长应用中存在色差限制。在设计波长下，固定式非球面准直器能够提供衍射极限性能，适合简单的光纤准直或耦合应用。此外，准直器整体设计结构紧凑，非球面透镜两面均镀有增透膜，能最大限度地减少表面反射。

图3 定焦准直器内部结构

2、安装组合透镜

安装组合透镜的准直器，内部采用两片或多片透镜精密组合、固定而成，属于高端定焦准直器。常见的有双胶合透镜、三片式透镜组等。

图4 双胶合准直器

双胶合准直器经预对准，可准直光纤出射的激光。在工作波长下，能达衍射极限，且消球差与色差效果优良。该准直器结构紧凑，带有增透膜以降低反射，并按波长出厂校准，其透镜与光纤间距为固定焦距。

图5 三片式准直器

三片式的透镜组内部包含3片光学镜片，具有极好的准直效果和空间光耦合能力。得益于三片式结构设计，它拥有极其优秀的消像差效果。同时，在长焦距的情况下，该设计仍能保持较为紧凑的结构。

可调焦准直器

可调焦准直器，简单说就是焦点位置可以手动调节的光纤准直器。其内部透镜和光纤端面的相对距离并非固定，而是可以通过螺纹或微调结构进行移动，从而改变输出光束的光斑大小、束腰位置。

按焦距调节方式的不同，可调焦准直器主要分为多轴可调焦准直器与单轴可调焦准直器。当然同样装配不同类型透镜（如消色差透镜、非球面透镜）的调焦准直器，其波长适应性与相关性能也有所不同。

1、多轴可调焦准直器

多轴可调焦准直器是一种具备多维度调节能力的可调焦光纤准直器件。它不仅可沿光轴方向调整光纤与透镜间距以实现发散角可调，还能在X、Y横向位移以及俯仰、偏摆等角度方向进行精密微调。因此，它能同时完成对焦、对中与光束指向校准，有效补偿装配误差、光纤偏心及光路偏移，具备调节灵活、对准精度高、适配性强的特点。在对准精度与耦合效率要求严苛的应用中，如量子光学实验和精密干涉系统等对单模光纤耦合效率要求较高的实验，多轴光纤准直器是优选方案。

图6 多轴准直器

多轴光纤准直器的缺点在于可调节的自由度较高，因此调节的难度较高，其最终调节效果较为依赖实验操作人员的经验。

2、单轴可调焦准直器

顾名思义，单轴可调焦准直器仅具备单一轴向调节自由度，它仅能沿光轴方向调整透镜与光纤端面的相对距离，从而实现发散角的调节。该准直器结构简单、操作便捷，可满足对焦与光束发散度调节需求，但不具备横向位移与角度指向的微调能力，适用于光路已预先对准、仅需灵活调整光束参数的常规光学调试与光纤耦合场景。

图7 单轴可调焦准直器

特殊应用的准直器

其中，内部安装离轴抛物面反射镜精确定位封装而成的准直器，是极少数可以应用于超宽光谱、紫外到中红外波段或高功率激光系统的准直器。它因采用反射光学结构而具有天然无色差、高损伤阈值的优势，可避免透射材料色散带来的限制。

图8 反射式光纤准直器

另外，考虑到全光纤光路的应用以及相关光路的集成化需求，部分特殊的准直器会将单模光纤尾纤与非球面透镜精确定位封装起来。这种设计便于节省光纤与准直器的适配选择，同时更易于系统集成。

图9 光纤与透镜封装的准直器

最后有一类可变焦的光纤准直器，其支持焦距大范围调节，同时能维持光束的准直。因此，改变光束尺寸时不会影响准直。除了变焦功能之外，还可以精密调节准直光的发散角。这种通用准直器可用于很多应用中，不用为寻找最适合的定焦光纤准直器花费时间。

图10 变焦光纤准直器

根据相关参数进行选择

工作波长

根据使用激光的波长选择对应的准直器，主要考虑以下因素：光源类型（宽谱光源还是准直单色激光）、工作波段（紫外、红外还是可见光）、以及波长适应性（单波长还是多波段）。有多个波段适用需求的，一般使用消色差透镜款的准直器；而单波长需求，一般选用非球面透镜的准直器。

同时，对于中远红外的激光，现有的透镜材料难以实现有效准直，因此大多使用带有离轴抛物面反射镜的特殊准直器来进行准直。

光纤类型

A、首先考虑接入的光纤类型，包括单模光纤、多模光纤。
B、考虑使用光纤的光纤接口，常见的光纤接口有FC/PC、FC/APC、SMA等，选择准直器/耦合器时需要适配所使用的光纤接口，否则可能导致光纤与准直接接口不匹配，影响使用效果，甚至导致光纤损坏。
C、考虑光纤的模场直径（MFD）、以及数值孔径（NA）。对于光纤的模场直径来说，当进行光束耦合时，需要根据公式计算出建议使用准直器的焦距，根据该焦距选择准直器。 其中D为入射光斑直径。

快速选型表 

 

应用案例

量子计算

在光量子计算、离子阱量子计算、中性原子量子计算等涉及多比特操纵的系统中，需要大量用到准直器，用于激光自由空间准直输出及空间光的光纤耦合。在量子计算领域，准直器广泛应用于离子阱与中性原子系统中的激光操控、量子门实现、光镊与光晶格构建以及量子态读出，是实现高质量光束、稳定偏振和高耦合效率的关键组件。

图11 “九章二号”量子计算机

量子信息

在量子信息领域，准直器广泛应用于离子阱、中性原子、光子量子信息和量子传感等方向，承担着光纤与自由空间之间高质量光束转换、相干操控与高保真读出的关键功能，是决定量子系统稳定性和性能上限的重要基础器件。

图12 “墨子号”密钥分发

超快激光

在超快激光加工、光纤激光器、非线性频率变换、泵浦–探测光谱以及超快显微成像等领域，准直器广泛用于光纤—自由空间转换和光束参数控制，是保障脉冲质量、转换效率和系统长期稳定性的基础光学器件。

图13 超快激光加工