在激光束輪廓分析技術中，通常的行業(ye) 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，都是基於(yu) 由多個(ge) 激光器組成的平行發射而構成。典型的例子如iphoness10：通過創建大約30,000個(ge) 點並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麵部特征從(cong) 而可以進行麵部識別。另一個(ge) 例子如VCSEL垂直表麵發射激光器係列，由於(yu) VCSEL低功率，良好的光束特性以及在一個(ge) 晶片上可構建多個(ge) 激光源的能力，它已迅速發展為(wei) 世界上最先進的技術之一。

用戶們(men) 所感興(xing) 趣的點在於(yu) ：光束的均勻性、光束的平值峰值或高斯分布特性、熱穩定性以及超過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(yu) 冷卻器配套使用，冷卻器的重要作用是監控激光器的穩定性，以避免激光二極管的失靈。對於(yu) 所有這些應用來說，重要的是不僅(jin) 要測量陣列的總輸出功率，而且還要測量給定芯片上每個(ge) VCSEL激光器的相對發射水平和光束分布。在這個(ge) 多源的產(chan) 業(ye) 中，既可以找到僅(jin) 帶有一個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 激光器的單芯片，也可以找到密集封裝了30,000多個(ge) 激光器的芯片。

DOE（衍射光學元件）組件在能夠提高工業(ye) 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。一台高功率激光器可以分為(wei) 多束光，並能平行執行材料處理。Holo/Or提供的圖1顯示一個(ge) 光束分裂成多個(ge) 光束的典型例子。

圖 1: 用於(yu) 釺焊的高能束分裂

VCSEL技術則允許將多個(ge) 激光器封裝在一個(ge) 芯片上。在這種情況下，VCSEL的輸出可按大小線性縮放。每一個(ge) 激光器都是獨立並且一模一樣的。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(ge) 電源會(hui) 使它們(men) 全部並行發射，區域中不同的布線方式讓其可以發射出不同的圖案。然而，諸如加熱、幾何誤差和不規則等副作用會(hui) 導致各種激光以不同的功率和不同的發散度發射。然而精心設計的光束輪廓儀(yi) 則可以同時分析光源並即時比較近場和遠場的輸出。

圖 2：光束分成 16 個(ge) 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，這要求該技術能夠同時測量幾束到數千束的多束光束，並且測量時需要提供輪廓信息和光束之間的相對相互關(guan) 係。此外，測量還需要在較寬的功率水平和波長範圍內(nei) 進行。

讓測量更輕鬆

為(wei) 了應對這一挑戰，一種高分辨率光束輪廓儀(yi) （240萬(wan) 像素，尺寸為(wei) 11x7毫米）被發開出來，可以用於(yu) 實時分析平行激光的輪廓。這種設計能夠根據被檢查的芯片來靈活地選擇要測試的激光數量，從(cong) 而實現高分辨率光束輪廓分析。快速激光束輪廓儀(yi) 的應用技術也同樣適用於(yu) 大批量生產(chan) 和在線檢測。通過配置特殊的衰減器和光束采樣器，它可以用於(yu) 測量包括高功率激光在內(nei) 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(ge) 典型的一模多路激光陣列的上述各種參數。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(yi) 上附加一個(ge) 聚焦透鏡來實現，並可以在透鏡處於(yu) 無限位置時進行測量，然後將其聚焦在芯片的表麵上。或者，對於(yu) 不是快速擴展的光束，則通過實際上將光束輪廓儀(yi) 移動到靠近模具或遠離模具的位置來進行測量。典型測量由基於(yu) 高分辨率相機的光束輪廓儀(yi) 執行，並根據用戶劃分或軟件提供的自動最佳劃分劃分為(wei) 多個(ge) 部分。

圖 4: 一模多路激光陣列

該裝置的工作原理類似於(yu) 多個(ge) 獨立的光束輪廓儀(yi) ：每個(ge) 輪廓儀(yi) 分析一個(ge) 光束，所有光束平行分析，並收集典型的結果，如：光束之間的距離、相對亮度、輪廓和長期穩定性等，以便於(yu) 進一步進行分析。

如圖5所示，除了每個(ge) 光束的實時相對亮度之外，用戶還可以打開或關(guan) 閉明確編號的“結果”窗口，以獲取每個(ge) 虛擬光束輪廓儀(yi) 的詳細信息。典型的信息包括三個(ge) 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(ge) 實際光束，包括顯示每個(ge) 光束結果的彈出窗 口（圖片由 Duma Optronic 提供）

至於(yu) 如何獲得生動清晰的信息，則需要通過虛擬多光束輪廓儀(yi) 對所有模具的光束進行三維重建，來顯示出相機表麵的光束和分割情況。

對於(yu) 遠場散度的計算，光束輪廓儀(yi) 需要包括一個(ge) 不失真的透鏡係統，該係統需要位於(yu) 距檢測器表麵正好一個(ge) 焦距的位置。在這種情況下，對於(yu) 小光束，每個(ge) 激光器的光束發散度由下式給出：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，隻有一小部分應該引向到測量儀(yi) 器。圖7顯示了一個(ge) 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的冷卻。此外，這種加壓冷卻將為(wei) 光束采樣器可以提供一個(ge) 保護幕，並能主動清除顆粒，防止顆粒在表麵堆積從(cong) 而平行測量高功率激光束。

圖 7: BeamOn U3 高功率光束輪廓儀(yi) ，內(nei) 含具有內(nei) 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(yi) 有潛力協助新興(xing) 市場測量平行工作的多個(ge) 激光源或激光束。激光雷達，材料加工，醫療應用等應用都將受益於(yu) 並行光束分析，從(cong) 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係統的決(jue) 策效率。