控制偏振特性的VCSEL量测方法

新的“一拍即得“ VCSEL测量法，适合高功率VCSEL/激光产品的人眼安全质量检测

大多数垂直腔面发射激光器(VCSEL)产品不是设计以单偏振输出，而且通常很难控制其偏振角。这种特殊的偏振特性直接影响了VCSEL的测量结果及准确度。针对这项VCSEL测量挑战，德国IS光测研发了可以一次测得VCSEL阵列中各个单发射器空间偏振特性的测量方法。此测量系统能够不受偏振影响，大幅降低生产线的误差预算，并精确分析激光人眼安全等级。

VCSEL偏振现象带来的测量挑战

虽然VCSEL是内单纵模单纵模激光器（intrinsic single-longitudinal mode），但通常表现出复杂的偏振特性。典型的VCSEL输出光会沿着两个正交方向之一线性偏振。当温度或电流改变时，还可以观察到突然的极化切换。这种突然的变化导致了VCSEL输出的偏振状态不一致，且阵列中每个单一发射器都可能呈现不同的偏振程度及角度，直接影响到测量VCSEL时的准确性。有鉴于此，在测量VCSEL的绝对功率（Absolute Power）时，必须考虑到偏振的影响，才能尽可能减低测量系统的误差预算，并确保正确的激光强度测量结果。

图 : 上：偏振不稳定的VCSEL测量结果，下：偏振稳定的VCSEL量测结果

近场成像测量系统解决方案

为了确实表征VCSEL阵列的功能及质量，德国IS光测开发了能测量VCSEL单发射器的VTC 4000近场成像测量系统。VTC 4000系统由带有偏振片的CMOS相机和显微镜光学系统组成，通过单次拍摄的图像来测定VCSEL阵列的光空间分布（光强度和线性偏振）。此信息可用于在很短的时间内分析出每个发射器的绝对功率，并同时对阵列中各个发射器的参数进行偏振控制的表征，因此适合生产线上的缺陷检测。通过微调平台来移动光学元件，测量的时候无需重新定位待测物。在与待测物垂直的方向上移动相机，可以进行完整的光束分析，测量聚焦的光束腰，数值孔径和M²值等。再结合高分辨率光谱仪，就可以对阵列上的每个单一发射器进行光谱分析，包括峰值及中心波长。

针对VCSEL偏振特性的校正技术

VTC 4000近场成像测量系统的特点之一，是能够通过其特别的平场和偏振校正技术来消除光学系统对偏振的依赖性，以获得正确的绝对功率（Absolute Power）参数，以及阵列上每个像素的偏振角度及偏振程度。由于整列中每个发射器的偏振都可能不同，所以即使是相对测量，也必须确定偏振参数。基于平场及偏振校正的技术，可以实现低误差预算的功率测量，保证高测量精度，特别适合制造符合人眼安全规范的高强度VCSEL产品的质量检测。

图：测量结果图像示例：a）强度，b）偏振角，c）偏振度，d）强度投影到 0°， e) 到90°的强度投影，f) 平均极化曲线

*更多关于VCSEL测量及偏振校正技术的细节，请参考我们在2022年4月发表于PhotonicsViews Volume 19, Issue 2, p. 32-36 的技术论文 Polarization-controlled VCSEL characterization

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*本文同时发表于 Photonics & Imaging Technology