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在激光束輪廓分析技術(shù)中，通常的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是一次測量一束激光。然而，激光二極管市場最近在激光束輪廓分析的規(guī)模和新技術(shù)概念上都有所增長：許多新的應(yīng)用，如手勢(shì)識(shí)別、自動(dòng)駕駛、高性能激光器等，都是基于由多個(gè)激光器組成的平行發(fā)射而構(gòu)成。典型的例子如iPhone10：通過創(chuàng)建大約30,000個(gè)點(diǎn)并將這些點(diǎn)投射到用戶的臉上，而反射的信息則被用來重建3D面部特征從而可以進(jìn)行面部識(shí)別。另一個(gè)例子如VCSEL垂直表面發(fā)射激光器系列，由于VCSEL低功率，良好的光束特性以及在一個(gè)晶片上可構(gòu)建多個(gè)激光源的能力，它已迅速發(fā)展為世界上最先進(jìn)的技術(shù)之一。

用戶們所感興趣的點(diǎn)在于：光束的均勻性、光束的平值峰值或高斯分布特性、熱穩(wěn)定性以及超過1kW/cm2的單芯能否高功率輸出。在大功率應(yīng)用中，VCSEL陣列通常與冷卻器配套使用，冷卻器的重要作用是監(jiān)控激光器的穩(wěn)定性，以避免激光二極管的失靈。對(duì)于所有這些應(yīng)用來說，重要的是不僅要測量陣列的總輸出功率，而且還要測量給定芯片上每個(gè)VCSEL激光器的相對(duì)發(fā)射水平和光束分布。在這個(gè)多源的產(chǎn)業(yè)中，既可以找到僅帶有一個(gè)或兩個(gè)激光器的單芯片，也可以找到密集封裝了30,000多個(gè)激光器的芯片。

DOE（衍射光學(xué)元件）組件在能夠提高工業(yè)4.0的性能的高功率激光器的分光中起著越來越重要的作用。一臺(tái)高功率激光器可以分為多束光，并能平行執(zhí)行材料處理。Holo/Or提供的圖1顯示一個(gè)光束分裂成多個(gè)光束的典型例子。

圖 1: 用于釬焊的高能束分裂

VCSEL技術(shù)則允許將多個(gè)激光器封裝在一個(gè)芯片上。在這種情況下，VCSEL的輸出可按大小線性縮放。每一個(gè)激光器都是獨(dú)立并且一模一樣的。同時(shí)，芯片上的激光越多，輸出的功率就越大。將激光器全部連接到單個(gè)電源會(huì)使它們?nèi)坎⑿邪l(fā)射，區(qū)域中不同的布線方式讓其可以發(fā)射出不同的圖案。然而，諸如加熱、幾何誤差和不規(guī)則等副作用會(huì)導(dǎo)致各種激光以不同的功率和不同的發(fā)散度發(fā)射。然而精心設(shè)計(jì)的光束輪廓儀則可以同時(shí)分析光源并即時(shí)比較近場和遠(yuǎn)場的輸出。

圖 2：光束分成 16 個(gè)子光束。 圖片由 Holo / Or 提供

各種各樣的應(yīng)用向如何才能提供一種靈活而準(zhǔn)確的光束測量技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，這要求該技術(shù)能夠同時(shí)測量幾束到數(shù)千束的多束光束，并且測量時(shí)需要提供輪廓信息和光束之間的相對(duì)相互關(guān)系。此外，測量還需要在較寬的功率水平和波長范圍內(nèi)進(jìn)行。

讓測量更輕松

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，一種高分辨率光束輪廓儀（240萬像素，尺寸為11x7毫米）被發(fā)開出來，可以用于實(shí)時(shí)分析平行激光的輪廓。這種設(shè)計(jì)能夠根據(jù)被檢查的芯片來靈活地選擇要測試的激光數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率光束輪廓分析?？焖偌す馐喞獌x的應(yīng)用技術(shù)也同樣適用于大批量生產(chǎn)和在線檢測。通過配置特殊的衰減器和光束采樣器，它可以用于測量包括高功率激光在內(nèi)的各種功率級(jí)別的光束。

圖 3：典型的二維高功率 VCSEL 陣列（圖片由 Finisar Corporation 提供）

如圖3和圖4所示，需要檢查和比較一個(gè)典型的一模多路激光陣列的上述各種參數(shù)。此外，還要檢查遠(yuǎn)場和近場——此項(xiàng)操作可以通過在光束輪廓儀上附加一個(gè)聚焦透鏡來實(shí)現(xiàn)，并可以在透鏡處于無限位置時(shí)進(jìn)行測量，然后將其聚焦在芯片的表面上?；蛘?，對(duì)于不是快速擴(kuò)展的光束，則通過實(shí)際上將光束輪廓儀移動(dòng)到靠近模具或遠(yuǎn)離模具的位置來進(jìn)行測量。典型測量由基于高分辨率相機(jī)的光束輪廓儀執(zhí)行，并根據(jù)用戶劃分或軟件提供的自動(dòng)最佳劃分劃分為多個(gè)部分。

圖 4: 一模多路激光陣列

該裝置的工作原理類似于多個(gè)獨(dú)立的光束輪廓儀：每個(gè)輪廓儀分析一個(gè)光束，所有光束平行分析，并收集典型的結(jié)果，如：光束之間的距離、相對(duì)亮度、輪廓和長期穩(wěn)定性等，以便于進(jìn)一步進(jìn)行分析。

如圖5所示，除了每個(gè)光束的實(shí)時(shí)相對(duì)亮度之外，用戶還可以打開或關(guān)閉明確編號(hào)的“結(jié)果”窗口，以獲取每個(gè)虛擬光束輪廓儀的詳細(xì)信息。典型的信息包括三個(gè)層級(jí)的光束輪廓大小、位置，其他更多的信息則以非圖形實(shí)時(shí)文件顯示。

圖 5：平行顯示的多個(gè)實(shí)際光束，包括顯示每個(gè)光束結(jié)果的彈出窗 口（圖片由 Duma Optronic 提供）

至于如何獲得生動(dòng)清晰的信息，則需要通過虛擬多光束輪廓儀對(duì)所有模具的光束進(jìn)行三維重建，來顯示出相機(jī)表面的光束和分割情況。

對(duì)于遠(yuǎn)場散度的計(jì)算，光束輪廓儀需要包括一個(gè)不失真的透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要位于距檢測器表面正好一個(gè)焦距的位置。在這種情況下，對(duì)于小光束，每個(gè)激光器的光束發(fā)散度由下式給出：2ωo/f，（其中ωo是13.5%層級(jí)時(shí)光束輪廓的半徑）

圖 6：三維多光束重建（圖片由 Duma Optronics 提供）

針對(duì)高功率應(yīng)用，不可能進(jìn)行直接測量，因此，需要使用反射光束采樣器。通過反射光束采樣器能將大部分的功率定向到光束收集器，只有一小部分應(yīng)該引向到測量儀器。圖7顯示了一個(gè)典型的裝置。如果涉及到極高的功率，則需要對(duì)圖7所示的光束采樣器本身進(jìn)行通過將壓縮空氣吹到棱鏡光束采樣器上實(shí)現(xiàn)的冷卻。此外，這種加壓冷卻將為光束采樣器可以提供一個(gè)保護(hù)幕，并能主動(dòng)清除顆粒，防止顆粒在表面堆積從而平行測量高功率激光束。

圖 7: BeamOn U3 高功率光束輪廓儀，內(nèi)含具有內(nèi)置空冷的高功率光 束采樣器

高質(zhì)量和高分辨率的光束輪廓儀有潛力協(xié)助新興市場測量平行工作的多個(gè)激光源或激光束。激光雷達(dá)，材料加工，醫(yī)療應(yīng)用等應(yīng)用都將受益于并行光束分析，從而給市場提供更好，更準(zhǔn)確的設(shè)備。除了擁有更高的質(zhì)量以外，這些設(shè)備還可以大大減少測試時(shí)間和提高針對(duì)大吞吐量激光系統(tǒng)的決策效率。