稳定的测量设置是任何成功测量的基础。造成挫折和错误的一个主要原因是由于持续的不稳定性而需要不断地重新调整光机械设备。但首先必须决定使用哪些组件。光纤参数的详细测量，例如，有效的数值孔径可以更好地了解哪些其他光纤组件适用于手头的应用。有关不同参数的深入了解是此过程的关键。

     与标准的自由光束设置相比，光纤的使用已被证明可以显著提高稳定性和便利性。这些模块化、复杂且独立的设置通常还可以提高激光安全性并降低激光安全等级。

单模和保偏光纤

    单模光纤是一种以横向基模 LP01 传输光的专用光纤。离开光纤的光的场分布（模场）接近高斯分布。对于标准单模光纤，光以两种主要的偏振状态进行引导。然而，光纤中的缺陷确实会导致两种主要偏振状态之间的随机功率传输，从而无法保持偏振态。

      保偏单模光纤（PM 光纤）是旋转非对称的。光在所谓的“快”轴或“慢”轴上被引导，并保持耦合到这些轴之一的线偏振光。单模和保偏光纤的特征在于它们的数值孔径NA、它们的模场直径 (MFD) 和它们的截止波长 λ₀。只有在高于该截止波长的情况下，耦合光才以单模而非多模引导，此时光束和强度分布不再稳定，也不再是高斯分布。

       MFD 与波长相关并与光纤 NA 成反比。虽然用于红外区域通信的光纤（波长约为 1550 nm）的特点是模场直径相当大，约为 10 μm，但对于典型的单模或保偏光纤，UV 中的 MDF 标称值为 NA = 0.12。

标称与有效 NA

    大多数制造商获得的光纤通常带有所谓的标称数值孔径（标称光纤 NA），它由纤芯和包层的折射率定义。对于典型的单模或保偏光纤，标称值为 NA = 0.12。该 NA 规格对应于 1 – 5 % 水平的高斯角分布，但在大多数情况下，这不是测量值，标称 NA 具有大带宽。通常，NA 是在预制件中测量的，而不是对最终拉制的光纤进行测量。一些制造商测量 MFD，它允许重新计算 NA，但仅限于一个单一波长。这种测量通常具有很大的误差范围。

      由于光纤 NA 对选择相应的光纤组件至关重要，因此应将这些粗略值替换为实际测量值。这是通过定义在 1/e²级别上的有效光纤数值孔径来完成的。对于光纤耦合目的，这种有效光纤 NAe²比由折射率定义的标称光纤NA更方便，因为高斯光束通常也由它们的 1/e²直径定义。

    Schäfter+Kirchhoff 定义了一个有效光纤 NAe²，它对应于在高斯角分布的 1/e²级上获取的光纤发射的功率分布的发散，并为每个光纤批次和多个波长测量该值。该值是指定的有效数值孔径 NAe²。

   例如，对于截止波长为 405 nm 的保偏光纤，制造商给出的标称 NA 为 0.12，定义在 1 – 5% 的水平之间。这对应于 0.079 至 0.098 的有效NAe²，不确定性几乎为 20%。然而，实际测量表明 405 nm 的有效 NAe²的测量值实际上是 0.070 ± 0.005。

    这些详细的测量表明，对于短波长光纤，数值孔径随波长变化，并且不像标准模型中假设的那样恒定。对于单模光纤和保偏光纤，有效 NAe²通常随着波长λ的增加而降低。这使得测量多个波长的 NA 变得至关重要。如果测量或给出单个波长的 NA 或 MFD，则完全忽略了随波长的显著变化。

图 1：RGB 光纤的有效数值孔径 NAe²和相应的 MFD，可在 400 nm 和 640 nm 之间使用。 NAe²随着波长的增加而显著降低。

有效 NAe²的波长依赖性

   为了说明有效 NAe²随波长变化的程度，对指定在400n和640nm之间使用的宽带 RGB 光纤测量其值。图1显示了400到640 nm之间的 NAe²曲线。有效NAe²随着波长的增加而降低，并且对于405nm (NAe² = 0.092)和635 nm (NAe²= 0.071) 具有显着不同的值。通过外推测量值可以看出 NAe²与波长之间几乎呈线性关系。除了有效的NAe²，还显示了MFD。MFD是根据获得的每个波长λ的NAe²值计算（而不是直接测量）使用的

    同样重要的是要注意，有效数值孔径的值因光纤批次而异，因此必须为每个新跳线重新测量。

   使用新的光纤产品配置器可以获得每条 Schäfter+Kirchhoff 光纤的 NAe²曲线和其他有用信息。通过选择工作波长、光纤类型（单模或 PM）、光纤跳线属性（例如真空兼容、900 µm 缓冲或 3 mm 跳线）和光纤连接器（带端盖、非磁性连接器、FC 或其他连接器），产品配置器可以找到足够的光纤，并简要概述最重要的特征。可以使用比较功能比较光纤跳线。一旦找到合适的光纤，就可以下载关键信息并用作决定其他光纤组件的基础，例如正确的光纤耦合器耦合到该光纤或正确的光纤准直器以准直离开该光纤跳线的光。

光纤耦合

     当耦合到单模光纤中时，激光束耦合器应产生一个与光纤的模场直径和数值孔径相匹配的衍射极限光斑，以实现最大的耦合效率。 只有满足此条件，才能实现高达 85% 的高耦合效率的光纤耦合。

可以选择足够的焦距使用

f’ = 0.5 · Ø_beam / NAe²

其中f’是最佳焦距，Ø_beam是1/e²级上的光束直径，NAe²是耦合波长λ下的有效数值孔径。

对于标称光纤 NA，最佳焦距由下式确定：

f’ = FNA · Ø_beam /NA

标称光纤 NA 对应于 1 – 5 %水平的高斯角分布，需要因子 FNA 来校正 NA 的不同定义。

     选择太大的焦距效率低下，因为聚焦的激光光斑大于模场直径。当使用的焦距太小时，聚焦激光光斑的会聚角大于光纤的最大可接受发散角——耦合效率降低。对于最佳选择的焦距，除了光纤两端的菲涅耳反射造成的损耗约为 4% 外，理想的高斯光束几乎完全耦合。

    很明显，有效光纤 NAe²的准确值对最佳焦距的值有很大影响。

    例如，对于光束直径 Ø_beam为 0.72（1/e²级）、波长 405 nm 和标称 NA 为0.12（在 1 – 5 % 级上给出）的标准光纤，最佳焦距f ' 计算为为 f ' =3.7 – 4.6mm。使用该光纤的有效数值 NAe²的实际测量值 (NAe² = 0.07)，计算出的最佳焦距为 f’ = 5.1mm。耦合效率可以计算为 MFD 和高斯光斑之间的重叠。重叠为 1 意味着，除了光纤两端的菲涅耳反射造成的损耗、成像像差、杂散损耗和光束失真 (8 %) 以及传输损耗 (1 %) 之外，理想的高斯光束几乎完全耦合（最大耦合效率≈80 %）。使用焦距 f ’ = 5.1mm 的光学器件时，光纤 MFD 之间的重叠为 0.99，而焦距f’ = 4mm 的光学器件的重叠仅为 0.94，这是次佳选择。请注意，并非每个焦距都可以使用光学元件，并且 4mm是计算范围的最佳选择。基于不准确的光纤 NA 标称值的选择导致耦合效率可能降低 6%。当然，这些都是理论上的考虑。实际上，光学质量也起着重要作用。

     对于具有多个波长的应用，应选择消色差或复消色差光学器件，以实现两个或多个波长的大耦合效率，而对于单波长，非球面也是合适的。请注意，为了耦合到 PM 光纤，激光源的偏振方向也必须与光纤的偏振轴对齐。

久经考验的稳定性

    使用不同焦距和波长的温度稳定性测试证明了使用激光束耦合器进行光纤耦合的高稳定性。 测试装置如图 2 所示。带有集成法拉第隔离器的温度稳定激光二极管光束源发出的光使用保偏光纤引导到测试装置，由光束耦合器准直，然后再使用第二个耦合器耦合进保偏光纤，两者相距 12mm。

图 2：在 15 °C 和 35 °C 之间连续温度循环期间测量两个光纤耦合器（f = 4.5 mm，λ = 405 nm）稳定性的测试装置。

    使用光电探测器监测重新耦合的功率。耦合装置放置在热控板上，以每分钟 0.5 °C 的速率在 15 到 35 °C 之间连续循环变化。为了尽量减少对测量设备的任何温度影响，激光源以及光电探测器和数据记录器都放置在恒温 25 °C 的热控板上。

    图 3 显示了使用 4.5 mm焦距和 405 nm波长的5个测量周期的相对透射功率的典型结果。功率相对于在所有测量周期中获得的平均功率进行归一化。

图 3：相对功率（相对于平均功率归一化）显示出随温度变化的重复模式（下图），最大偏差为 ±1.5%。

    与平均功率的功率偏差为 ±1.5%。 图 4 更清楚地展示了由温度循环引起的相对功率的重复模式，其中绘制了相对功率（归一化为最大值）与激光束耦合器温度的关系图。

    最大耦合效率在略高于 25 °C 时达到，并且它在较低温度下比较高温度下降得更快，在要求的工作点 (25 °C) 附近斜率最小。

    每个测量周期的各自功率曲线几乎重合，并且在相同温度点的功率变化<1%，这证明了温度循环期间指向稳定性的再现性和光纤耦合的长期稳定性。此处相对于最大功率的最大偏差为 3%。

图 4：相对功率曲线（相对于最大功率归一化）几乎一致，证实了温度循环过程中指向稳定性的高重现性。 最大偏差仅为 3%。

选择正确的准直光学元件

    光纤准直器设计用于准直离开光纤跳线的激光。它们也可以在反向模式下用作光纤输入耦合器。它们适用于产生具有高斯强度分布的准直光束的单模和保偏光纤跳线。正如在许多应用中寻找合适的耦合焦距一样，必须选择光纤准直器的最佳焦距以获得一定的准直光束直径。指定的准直光束直径 Ø_beam（定义在 1/e²级）使用以下公式计算：

Ø_beam = 2 x f' x NAe²

其中 f' 是光纤准直器的焦距，NAe²是有效光纤数值孔径。

     正如耦合光学器件的焦距一样，此处光纤数值孔径的准确值对确定正确的准直光学器件以获得一定的光束直径也有很大影响。

    例如，为了获得 1 mm的光束直径（1/e²级），焦距计算为 f ' = 5.1 – 6.3mm，标称NA 为 0.12（1 – 5 % 级），其中使用 405 nm 的 NAe²实际测量值导致焦距 f' 为 7.1mm。只是为了说明：实际上焦距 f' = 5.1 mm 的错误选择导致光束直径仅为 0.71 mm。

除了正确的焦距外，正确选择光学类型也很重要。对于单波长应用球面像差透镜是很好的选择。与输入耦合不同，也可以使用极少数选定的非球面透镜来提供高质量的准直光束轮廓。消色差是多波长应用的绝佳选择。

结论

     光纤可以显著提高测量设置的稳定性和便利性，并允许使用稳定、紧凑、可运输、密封的光纤系统取代大型试验板设置。任何光纤系统的稳定性在很大程度上取决于用于耦合进出保偏光纤的光纤耦合器的长期稳定性。温度循环期间的功率稳定性（典型的最大偏差为 3%）是在光纤耦合器的测试设置中实现的，该光纤耦合器在 405 nm 和 15 至 35 °C的温度下焦距为 4.5 mm。

     这种高稳定性是成功使用光纤设备的基础。有效光纤数值 NAe²的准确测量为选择最合适的耦合和准直光学器件提供了基础。可以使用新 Schäfter+Kirchhoff 网站上的在线光纤跳线产品配置器选择合适的光纤，该网站还提供 NAe²曲线供下载。然后可以将这些值作为基础放入光纤耦合器和准直器在线产品配置器中，从而快速轻松地缩小搜索范围，以找到最合适的耦合器或准直器。

    北京海科思锐光电仪器有限公司作为Schäfter+ Kirchhoff GmbH公司在中国的代理商，负责其全线产品在中国的销售和售后服务。欢迎广大用户来电咨询。

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