在激光束輪廓分析技術中，通常的行業(yè)標準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)模和新技術概念上都有所增長：許多新的應用，如手勢識別、自動駕駛、高性能激光器等，都是基于由多個激光器組成的平行發(fā)射而構成。典型的例子如iPhone10：通過創(chuàng)建大約30,000個點并將這些點投射到用戶的臉上，而反射的信息則被用來重建3D面部特征從而可以進行面部識別。另一個例子如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晶片上可構建多個激光源的能力，它已迅速發(fā)展為世界上最先進的技術之一。

用戶們所感興趣的點在于：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。對于所有這些應用來說，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VCSEL激光器的相對發(fā)射水平和光束分布。在這個多源的產業(yè)中，既可以找到僅帶有一個或兩個激光器的單芯片，也可以找到密集封裝了30,000多個激光器的芯片。

DOE（衍射光學元件）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顯示一個光束分裂成多個光束的典型例子。

圖 1: 用于釬焊的高能束分裂

VCSEL技術則允許將多個激光器封裝在一個芯片上。在這種情況下，VCSEL的輸出可按大小線性縮放。每一個激光器都是獨立并且一模一樣的。同時，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電源會使它們全部并行發(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)則等副作用會導致各種激光以不同的功率和不同的發(fā)散度發(fā)射。然而精心設計的光束輪廓儀則可以同時分析光源并即時比較近場和遠場的輸出。

圖 2：光束分成 16 個子光束。 圖片由 Holo / Or 提供

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

讓測量更輕松

為了應對這一挑戰(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，可以用于實時分析平行激光的輪廓。這種設計能夠根據(jù)被檢查的芯片來靈活地選擇要測試的激光數(shù)量，從而實現(xiàn)高分辨率光束輪廓分析。快速激光束輪廓儀的應用技術也同樣適用于大批量生產和在線檢測。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的各種功率級別的光束。

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，還要檢查遠場和近場——此項操作可以通過在光束輪廓儀上附加一個聚焦透鏡來實現(xiàn)，并可以在透鏡處于無限位置時進行測量，然后將其聚焦在芯片的表面上?；蛘撸瑢τ诓皇强焖贁U展的光束，則通過實際上將光束輪廓儀移動到靠近模具或遠離模具的位置來進行測量。典型測量由基于高分辨率相機的光束輪廓儀執(zhí)行，并根據(jù)用戶劃分或軟件提供的自動最佳劃分劃分為多個部分。

圖 4: 一模多路激光陣列

該裝置的工作原理類似于多個獨立的光束輪廓儀：每個輪廓儀分析一個光束，所有光束平行分析，并收集典型的結果，如：光束之間的距離、相對亮度、輪廓和長期穩(wěn)定性等，以便于進一步進行分析。

如圖5所示，除了每個光束的實時相對亮度之外，用戶還可以打開或關閉明確編號的“結果”窗口，以獲取每個虛擬光束輪廓儀的詳細信息。典型的信息包括三個層級的光束輪廓大小、位置，其他更多的信息則以非圖形實時文件顯示。

圖 5：平行顯示的多個實際光束，包括顯示每個光束結果的彈出窗 口（圖片由 Duma Optronic 提供）

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

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

圖 6：三維多光束重建（圖片由 Duma Optronics 提供）

針對高功率應用，不可能進行直接測量，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，只有一小部分應該引向到測量儀器。圖7顯示了一個典型的裝置。如果涉及到極高的功率，則需要對圖7所示的光束采樣器本身進行通過將壓縮空氣吹到棱鏡光束采樣器上實現(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保護幕，并能主動清除顆粒，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，內含具有內置空冷的高功率光 束采樣器

高質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激光源或激光束。激光雷達，材料加工，醫(yī)療應用等應用都將受益于并行光束分析，從而給市場提供更好，更準確的設備。除了擁有更高的質量以外，這些設備還可以大大減少測試時間和提高針對大吞吐量激光系統(tǒng)的決策效率。