众所周知，准直器就是给光纤后面加个透镜组成的。针对各行各业的应用，主要有C-lens、G-lens、非球面透镜、球面透镜组。不同的透镜在各应用领域都有其独特的优势，大家在日常实验、工作中可参考应用特征进行选型。1.C-lens和G-lens（非常规透镜，详细介绍） 这两种透镜均为小型透镜，形态为圆柱型，常用直径为1mm和1.8mm，准直光束一般在0.5mm以内。主要应用领域为光纤器件，体积小，便于小型化集成设计，作为小型光纤准直器的准直透镜使用。
C-lens的C传说是China（因为是中国人发明的，哈哈），球面透镜中的厚透镜一类，因为厚度相对于半径较大，接近2倍，如下图所示。C-lens一般选用高折射率材料如SF11来降低球差的影响。（个人理解是器件本身就很小，半径也小，如果采用N-BK7、h-k9类材料在同等准直要求下半径更小，球差更大不利于后续耦合）。
图1 C-lens准直透镜的准直器
G-lens，GRIN Lens 或 Gradient-index Lens，中文名：渐变折射率透镜，属于非球面镜的一类。它的折射率分布是由中心向径向方向递减的，因此称为渐变折射率。我们放大它的结构光路演示如下图2，光一层一层地通过折射将光束往轴向压，使光束最终在透镜内部光路称为类正弦曲线的规律路径。最终当折射率层变化足够小时，他的光路就变成了圆滑的曲线，其出光方向为路径的切线方向。
图2 G-lens渐变折射率结构示意图
图3展示了光在渐变折射率透镜中的一个完整路径周期。我们把一个完整路径周期的透镜长度记作一个P(Picth)，从图2和图3可以清晰的看出当点光源光在透镜端面入射时，在透镜长度为0.25P和0.75P截断透镜，那么光的出射为平行光。G-lens就是利用0.25P这个特性做准直器的。
图3 G-lens 一个周期的光路图（单光线和多光线效果对比）
图4 G-lens 不同周期下出射光束对比
① 因为实际透镜加工中因为材料精细误差、尺寸误差，透镜的后焦距或者P与理论值会有一定偏差。因此实际生产中一般会使用0.21P、0.23P等，让透镜与光纤端面之间留有0.4mm左右的空间作为调试余量，可以通过微调使光纤端面落在透镜的后焦面上，达到最佳的准直状态。② 使用圆柱造型更方便在玻璃管内组装，同时起到很好同轴限制效果。③ 渐变折射率结构一般是通过化学气相沉积的方式制作，通过沉积的方式将不同折射率材料沉积在一起，而且沉积厚度可以控制在原子级。④ 小型光纤准直器由光纤尾纤(pigtail)+C/G-lens+玻璃管组成，通过环氧树脂胶水固定⑤ 小知识：Pigtail光纤尾纤，据说是因为长的像猪尾巴得名。它由光纤+钻孔的玻璃管组成。因为光纤非常细，不好加工（端面抛光等），夹持困难、对准困难，因此将其穿在玻璃管内固定，变相增大其体积，方便后续加工、装配和对准操作。（想象一下，是两根针对准容易，还是两支筷子对准容易？）
图5 小型光纤准直器组装图
图6 Pigtail实物图（Thorlabs网站产品图）
图7 小型光纤准直器实物图（图源网络，侵删）
① 模压非球面镜片由玻璃球原料加热融化后经模具压制而成，一般材料不耐高温（毕竟需要融化成型），但批量成本较低，但同尺寸下仍比两片式球面镜贵。模压非球面镜主要是模具贵，几万到十几万不等，而且模具会损耗，具有一定的使用寿命，同时材料比一般的k9贵，因此成本有下限。 ② 精密抛光非球面通常由CNC加工而成，但可以使用像融石英等高熔点材料，可应用在高功率加工领域。缺点是价格较高（需3/5轴CNC一片一片加工），批量价格也很难有像模压和球面镜那样的成本下降幅度。
图8 非球面准直器结构图（图来自莱特巴斯产品规格书）
因为准直器一般为单波长工作，主要要消球差，因此在准直光束较大的时候一般采用2片或者多片式结构来达到小球差的目的。像当前主流的激光加工领域光纤准直器一般都由2-3片石英材质的球面透镜组成。不过当功率更高时如上万瓦，镜片数量越多透过率越低，热效应也就越强，热透镜效应累积很大，这时候一般选用单片精密抛光的非球面透镜来替代。
图9 双球面镜组准直器结构图（图来自Thorlabs商城图纸）
离轴反射镜，一般为金属基底材质，表面为金属膜。其准直光路如下图所示。利用反射定律与抛物面（或球面/椭球面）的几何光学特性，将来自点光源或近似点光源的发散光，经过一次或多次反射后，转变为准直的平行光束（或反之，将平行光聚焦）。
1. 无色差（Achromatic）—— 宽波段适用；
2. 系统设计灵活，可折叠光路；
3. 反射式设计 光能不穿过材料，几乎无吸收，适合部分高功率激光准直应用；
4. 无材料限制 ，适应特殊波段，某些波段（如远红外、太赫兹、极紫外 EUV）很难找到合适的透射材料，或者材料昂贵、易损伤。
图10 离轴反射式光纤准直器
三、选型的一点点小思路（仅基于个人浅薄经验，供参考） 1. 小型化准直器，如通信领域中的隔离器、环形器、波分复用器等等都需要使用准直器，一般直径都在2-3mm左右，基本上只能选C-lens和G-lens，常规球面和非球面透镜加工到1mm左右直径是比较麻烦的。G-lens有个C-lens无法比拟的优点：出光端面是平面，可以将一些功能镜片（如滤光片等）直接贴在上面，安装更便捷。 2. 1mm-5mm输出光束直径准直器，无脑上非球面，一般比双片式球面也就略贵一些。（索雷博商城上小尺寸都是非球，5mm以上是双片和三片的。国产麓邦商城上非球面都是2mm左右光斑，大尺寸也是2片或三片结构。麓邦商场2mm光斑有球面准直，也就比非球面便宜200左右） 3. 5mm以上输出光束直径准直器，推荐双片或者多片的球面镜组式准直器。因为一般模压的非球面镜尺寸躲在10mm以内，输出光束直径尽可能控制在1/2的镜片通光孔径内。非球面透镜尺寸越大价格越贵。在功率允许的情况下主流还是球面镜组。 4. 超高功率应用、热透镜敏感应用、波前要求极高的应用，还是以非球面为主。因为热透镜效应是每个表面都会产生，多片透镜下除了透过率会降低，热透镜效应叠加也会变严重。 5. 超大尺寸准直光斑准直器，消色差准直器，一般采用离轴反射式准直，金属反射膜没有色差，大尺寸玻璃材料成本高！加工也麻烦！
