一、准直器透鏡簡介

      眾所周知，准直器就是給光纖後面加個透鏡組成的。針對各行各業的應用，主要有C-lens、G-lens、非球面透鏡、球面透鏡組。不同的透鏡在各應用領域都有其獨特的優勢，大家在日常實驗、工作中可參考應用特徵進行選型。

二、透鏡簡介與應用簡析

1.C-lens和G-lens（非常規透鏡，詳細介紹）

      這兩種透鏡均為小型透鏡，形態為圓柱型，常用直徑為1mm和1.8mm，准直光束一般在0.5mm以內。主要應用領域為光纖器件，體積小，便於小型化集成設計，作為小型光纖准直器的准直透鏡使用。

       C-lens的C傳說是China（因為是中國人發明的，哈哈），球面透鏡中的厚透鏡一類，因為厚度相對於半徑較大，接近2倍，如下圖所示。C-lens一般選用高折射率材料如SF11來降低球差的影響。（個人理解是器件本身就很小，半徑也小，如果採用N-BK7、h-k9類材料在同等准直要求下半徑更小，球差更大不利於後續耦合）。

圖1 C-lens准直透鏡的准直器

G-lens，GRIN Lens 或 Gradient-index Lens，中文名：漸變折射率透鏡，屬於非球面鏡的一類。它的折射率分布是由中心向徑向方向遞減的，因此稱為漸變折射率。我們放大它的結構光路演示如下圖2，光一層一層地通過折射將光束往軸向壓，使光束最終在透鏡內部光路稱為類正弦曲線的規律路徑。最終當折射率層變化足夠小時，他的光路就變成了圓滑的曲線，其出光方向為路徑的切線方向。

圖2 G-lens漸變折射率結構示意圖

 圖3展示了光在漸變折射率透鏡中的一個完整路徑週期。我們把一個完整路徑週期的透鏡長度記作一個P(Picth)，從圖2和圖3可以清晰的看出當點光源光在透鏡端面入射時，在透鏡長度為0.25P和0.75P截斷透鏡，那麼光的出射為平行光。G-lens就是利用0.25P這個特性做准直器的。

圖3 G-lens 一個週期的光路圖（單光線和多光線效果對比）

圖4 G-lens 不同週期下出射光束對比

工藝實踐知識點：

① 因為實際透鏡加工中因為材料精細誤差、尺寸誤差，透鏡的後焦距或者P與理論值會有一定偏差。因此實際生產中一般會使用0.21P、0.23P等，讓透鏡與光纖端面之間留有0.4mm左右的空間作為調試餘量，可以通過微調使光纖端面落在透鏡的後焦面上，達到最佳的准直狀態。

② 使用圓柱造型更方便在玻璃管內組裝，同時起到很好同軸限制效果。

③ 漸變折射率結構一般是通過化學氣相沈積的方式製作，通過沈積的方式將不同折射率材料沈積在一起，而且沈積厚度可以控制在原子級。

④ 小型光纖准直器由光纖尾纖(pigtail)+C/G-lens+玻璃管組成，通過環氧樹脂膠水固定

⑤ 小知識：Pigtail光纖尾纖，據說是因為長的像豬尾巴得名。它由光纖+鑽孔的玻璃管組成。因為光纖非常細，不好加工（端面拋光等），夾持困難、對準困難，因此將其穿在玻璃管內固定，變相增大其體積，方便後續加工、裝配和對準操作。（想象一下，是兩根針對準容易，還是兩支筷子對準容易？）

圖5 小型光纖准直器組裝圖

圖6 Pigtail實物圖（Thorlabs網站產品圖）

圖7 小型光纖准直器實物圖（圖源網絡，侵刪）

2. 非球面透鏡

    特點：單片准直、無球差、准直或聚焦效果好

    非球面分類：模壓非球面鏡片和精密拋光非球面鏡片。

    ① 模壓非球面鏡片由玻璃球原料加熱融化後經模具壓制而成，一般材料不耐高溫（畢竟需要融化成型），但批量成本較低，但同尺寸下仍比兩片式球面鏡貴。模壓非球面鏡主要是模具貴，幾萬到十幾萬不等，而且模具會損耗，具有一定的使用壽命，同時材料比一般的k9貴，因此成本有下限。

    ② 精密拋光非球面通常由CNC加工而成，但可以使用像融石英等高熔點材料，可應用在高功率加工領域。缺點是價格較高（需3/5軸CNC一片一片加工），批量價格也很難有像模壓和球面鏡那樣的成本下降幅度。

圖8 非球面准直器結構圖（圖來自萊特巴斯產品規格書）

3. 球面透鏡組

      因為準直器一般為單波長工作，主要要消球差，因此在准直光束較大的時候一般採用2片或者多片式結構來達到小球差的目的。像當前主流的激光加工領域光纖准直器一般都由2-3片石英材質的球面透鏡組成。不過當功率更高時如上萬瓦，鏡片數量越多透過率越低，熱效應也就越強，熱透鏡效應累積很大，這時候一般選用單片精密拋光的非球面透鏡來替代。

圖9 雙球面鏡組准直器結構圖（圖來自Thorlabs商城圖紙）

4. 離軸反射鏡

      離軸反射鏡，一般為金屬基底材質，表面為金屬膜。其准直光路如下圖所示。利用反射定律與拋物面（或球面/橢球面）的幾何光學特性，將來自點光源或近似點光源的發散光，經過一次或多次反射後，轉變為准直的平行光束（或反之，將平行光聚焦）。

 特點：

 1. 無色差（Achromatic）—— 寬波段適用；

2. 系統設計靈活，可折疊光路；

3. 反射式設計 光能不穿過材料，幾乎無吸收，適合部分高功率激光准直應用；

4. 無材料限制 ，適應特殊波段，某些波段（如遠紅外、太赫茲、極紫外 EUV）很難找到合適的透射材料，或者材料昂貴、易損傷。

圖10 離軸反射式光纖准直器

三、選型的一點點小思路（僅基於個人淺薄經驗，供參考）

     1. 小型化准直器，如通信領域中的隔離器、環形器、波分復用器等等都需要使用准直器，一般直徑都在2-3mm左右，基本上只能選C-lens和G-lens，常規球面和非球面透鏡加工到1mm左右直徑是比較麻煩的。G-lens有個C-lens無法比擬的優點：出光端面是平面，可以將一些功能鏡片（如濾光片等）直接貼在上面，安裝更便捷。

      2. 1mm-5mm輸出光束直徑准直器，無腦上非球面，一般比雙片式球面也就略貴一些。（索雷博商城上小尺寸都是非球，5mm以上是雙片和三片的。國產麓邦商城上非球面都是2mm左右光斑，大尺寸也是2片或三片結構。麓邦商場2mm光斑有球面准直，也就比非球面便宜200左右）

      3. 5mm以上輸出光束直徑准直器，推薦雙片或者多片的球面鏡組式准直器。因為一般模壓的非球面鏡尺寸躲在10mm以內，輸出光束直徑盡可能控制在1/2的鏡片通光孔徑內。非球面透鏡尺寸越大價格越貴。在功率允許的情況下主流還是球面鏡組。

      4. 超高功率應用、熱透鏡敏感應用、波前要求極高的應用，還是以非球面為主。因為熱透鏡效應是每個表面都會產生，多片透鏡下除了透過率會降低，熱透鏡效應疊加也會變嚴重。 

      5. 超大尺寸准直光斑准直器，消色差准直器，一般採用離軸反射式准直，金屬反射膜沒有色差，大尺寸玻璃材料成本高！加工也麻煩！