作者： 时间：2020-06-10
普通光束分析仪一般情况下一次只能测量一个光束。然而，最近随着新技术的发展对光斑分析仪提出了更高的要求。例如激光二极管的市场不断扩大，像手势识别，自动驾驶，高性能激光器等许多新兴应用都是基于多光束并行发射的概念，并行发射的实现则需要由很多个激光器组成，并都从一个晶片发射出来。例如苹果的新款手机iPhone10，其发射了约30,000个光束点并将其投影到用户的脸部，而反射的信息被接收后再重建3D脸部特征以进行识别。另一个例子是垂直表面发射激光器VCSEL系列，由于使用功率低，已经迅速成为世界上最先进的技术之一。
目前，这些新技术在光源的光束的均匀性，光束轮廓特性（如平顶或高斯），热稳定性，单芯片输出功率＞1 kW / cm 2等性能方面都需要严格评估。对于所有这些应用，不仅要测量阵列的总输出功率，而且还要测量给定芯片上每个VCSEL激光器的相对发射水平和光束分布，这一点是十分重要的。在这个多光束器件行业当中，一个芯片内部可以含有一到两个激光器，还可以将三万多个激光器密集地封装在一个芯片内。
分束器DOE在高功率激光器的分束中表现出非常重要的地位，甚至被行业专家认为是实现工业4.0的关键器件。一台高功率激光器可以分为多束激光，能够并行地执行材料的处理，直接将传统激光器设备的加工效率成倍提高。下图展示了将一个光束分成多个光束的典型案例。
图1：高功率硬焊分束器与一分十六光束的分束器
VCSEL阵列技术允许将多个激光器封装在一个芯片上。在这种情况下，VCSEL的输出激光可以按大小进行线性缩放，每一个激光器都是相互独立且特性基本相同的。芯片上的激光器越多，其输出功率就越大，将它们全部连接到同一个电源上会导致它们全部并行发射，要是将它们连接在不同的电源上就可以产生不同的模式。但是，也会有一些负面作用例如温度升高，几何形状不正确和不规则，这些将会导致各种激光以不同的能量和发散来发射。一台好的VCSEL光束分析仪可以并行分析多个不同的信号源，并即时分析比较VCSEL激光的近场和远场的输出。
各种应用对激光测量提出了一个很高要求，以提供一种敏捷，准确的光束测量技术，来同时并行测量几束到几千束的激光光束。每束激光均可进行单独测量分析，以便得到它们之间的相对强弱或相互关联的关系，这些多光束光斑分析仪都应覆盖较宽的光谱范围和较大的功率跨度。
为了应对这一挑战，DUMA开发了一种高分辨率光束轮廓仪Beamon U3（2.4兆像素，尺寸为11x7mm），用于实时分析平行激光的轮廓。该设计允许根据所要测试的芯片，来灵活地选择要测试的激光数量，从而实现高分辨率光束轮廓的分析。使用快速激光轮廓仪，该技术适用于批量生产和过程检验。为了应对测量大功率激光的挑战，DUMA特制了衰减器和光束采样器，满足各种大功率测试的需求。
图2：用BeamOn U3大功率光束轮廓仪测试典型高功率VCSEL阵列的2D与3D图
如图2所示，典型的单芯片激光器阵列应该进行测试，并且与上文所述的各种参数做对比。此外，远场和近场也应该被测试，这可以通过以下方法实现：将聚焦透镜安装到光束轮廓仪上，并在透镜处于无限远位置时进行测量，然后聚焦在芯片的表面上。另外，对于不是快速扩展的光束，通过将光束轮廓仪移动到靠近模具或远离模具的位置来进行。基于高分辨率摄像机的光束轮廓仪进行的典型测量，实际上是通过对探测器进行划分，每个区域测试单一光束，用户可以选择自行划分或通过软件提供的自动最佳划分，来同时进行多光束测量。
这个设置就像是把一个光斑分析仪变成多个独立的光束轮廓仪，每个轮廓仪分析一个光束，其中所有光束均进行平行分析，随后出现的典型测试结果（例如：光束之间的距离，相对亮度，轮廓和长期稳定性）都被收集起来，并进一步分析。
图3：在窗口中显示每条光束的测试结果，进行3D多光束的重建
如图3所示，多光束光斑分析仪除了可以显示每个激光光束的实时相对亮度之外，用户还可以打开或关闭带有各自编号的“结果”窗口，以获取每个虚拟光束轮廓仪的详细信息。典型的信息包括光束在三个层次上的尺寸、位置和更多的信息以非图形的方式显示为实时文件。为了获得生动清晰的信息，将多光束轮廓仪记录的所有模具光束进行3D重建，展示了在各条光束和分束效果。
为了进行远场发散的计算，光束轮廓仪应包括一个不失真的透镜系统，该系统的位置恰好距检测器的表面一个焦距，在这种情况下，对于小光束，每个激光器的光束发散度由下式给出：
对于高功率的应用，将会直接就进行测量，应该使用光束采样器，以使大部分功率被引向了光束收集器，而只有一小部分应被引向测量仪器。如果涉及到非常高的功率，则应如图2所示对光束采样器本身进行冷却，通过将压缩空气吹到棱柱形光束采样器上来实现冷却。此外，这种加压冷却将为光束采样器提供防护帘，并主动清除颗粒，进而防止在其表面上堆积，这将适用于并行测量高功率激光束。
高质量、高分辨率的光束轮廓仪可以测试多条并行的激光源或激光束，这种技术在新兴市场上具有一定的潜力。激光雷达，材料加工，医疗应用等应用都将会受益于并行光束分析技术，以获得更好，更精密的相关应用设备和材料。除了以上特点，这些设备还可以大大减少测试时间和提高高通量激光系统的GONO-GO决策。
