CN113330651A - 用于激光退火的二极管泵浦固态激光装置 - Google Patents

用于激光退火的二极管泵浦固态激光装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种激光退火装置包括多个三倍频固态激光器，每个输出波长在340nm和360nm之间的辐射束。每个输出光束的光束品质因数(M2)在一个横轴上大于50，在另一个横轴上大于20。输出光束被组合并形成线束，投射到正在退火的基板上。每个输出光束对线束的长度有贡献。

Description

用于激光退火的二极管泵浦固态激光装置
优先权
本申请要求2019年1月22日提交的序号为62/795,341的美国临时专利申请和2019年9月24日提交的序号为62/905,252的美国临时专利申请的优先权，它们的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般涉及使用投射到线束中的紫外激光辐射对非晶硅层进行退火。本发明特别涉及退火，其中来自多个激光器的激光辐射被组合并投射到线束中。
背景技术
激光退火用于生产大型高分辨率LCD和OLED显示器，方法是在基板上熔化薄的非晶硅层，在其上定义薄膜晶体管(TFT)，然后使冷却硅结晶。退火工艺需要稳定的脉冲紫外激光器，具有小于约1％的低RMS脉冲能量噪声，波长范围在280纳米(nm)至360nm之间。紫外激光器产生的激光束形成线束，扫描整个硅层。激光束必须具有非常低的光束质量才能形成无斑点的均匀线束。光束质量由无单位光束品质因数M2衡量。非常低的光束质量对应于非常高的M2值。
目前，此类激光束由高功率准分子激光器或此类准分子激光器的组合提供。例如，氯化氙(XeCl)准分子激光器，其产生波长为308nm的激光辐射。准分子激光器通常可以表征为超大气压气体放电激光器。激光束具有细长的横截面，其特征在于长轴和短轴，分别对应于线束的长度维度和宽度维度。线束沿长度维度和宽度维度具有均匀或“平顶”的强度分布。
通常，用于退火的XeCl准分子激光器的激光束的M2值在短轴上约为80，在长轴上约为500，
Figure BDA0003173971200000011
全宽光束尺寸在短轴约为20毫米(mm)，长轴约45mm。来自几个这样的准分子激光器的激光束被组合并投射成具有大约0.4mm的宽度和大约750mm至大约1500mm之间的长度的线束。所需的每毫米长度紫外线功率约为2.5瓦(W)，脉冲重复频率约为600赫兹(Hz)，脉冲持续时间约为25纳秒(ns)。对于1500mm的线束长度，需要大约3.6千瓦(kW)的紫外线功率，这可以通过组合六个单独的600W激光器的输出来实现，每个激光器提供1焦耳(J)的脉冲能量。
准分子激光器的一个缺点是资金成本高，这主要是由于需要一种复杂的气管，该气管包括放电电极以及能够向这些电极传送峰值电压大于30千伏(kV)的电脉冲的电源。准分子激光器的另一个缺点是操作成本高，因为气管寿命有限，不到一年，而且在该寿命期间经常更换气管窗口。
需要具有比准分子激光退火装置更低的资金成本和更低的操作成本的紫外激光退火装置。优选地，激光退火装置将能够提供与上述准分子激光退火装置所提供的脉冲能量和光束参数相当的脉冲能量和光束参数。
发明概述
一方面，根据本发明的用于对基板上的层进行退火的光学装置包括多个变频重复脉冲固态激光器。每个激光器输出波长在电磁波谱紫外区的输出光束，横截面以相互正交的第一横轴和第二横轴为特征，在第一横轴上的光束品质因数M2大于约50，以及在第二横轴上的光束品质因数M2大于约20。每个输出光束中的激光脉冲具有大于约100毫焦耳的脉冲能量和大于约100赫兹的脉冲重复频率。光学装置还包括线投影仪，其被布置为接收输出光束，将输出光束形成为线束，并将线束投影到层上。线束在层上具有长度和宽度。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A示意性地示出了根据本发明的外部三倍频重复脉冲固态激光器的优选实施方案，其具有位于形成在高反射谐振器反射镜与输出耦合谐振器反射镜之间的谐振器中的平板形式的增益元件，谐振器产生在长短横轴上具有高光束品质因数(M2)值的近红外光束，近红外光束通过非线性晶体转换为可见光束，近红外光束和可见光束被另一个非线性晶体转换成紫外光束，激光器被布置和配置成传送具有细长横截面和高M2值的紫外输出光束。
图1B是示意性地示出图1A的激光器中的增益元件和两个谐振器反射镜的细节的透视图。
图1C是示意性地示出在具有窗口的外壳中的图1A的激光器的透视图，紫外线输出光束通过该窗口传送，其中示出了两个横轴的示例性M2值和横截面光束尺寸。
图2A是示意性地示出在图1A的具有平面谐振器反射镜的激光器的实施例中，对于增益元件中的不同热透镜，作为谐振器长度的函数的近红外光束在短轴上的计算出的M2值的曲线图。
图2B是示意性地示出了在图1A的具有凹面谐振器反射镜的激光器的实施例中，对于增益元件中的不同热透镜，作为谐振器长度的函数的近红外光束在短轴上的计算出的M2值的曲线图。
图2C是示意性地示出在图2A的实施例中，对于增益元件中的不同热透镜，作为谐振器长度的函数的近红外光束在长轴上的计算出的M2值的曲线图。
图3是示意性地图示了在图2A的实施例中，对于不同的谐振器反射镜曲率，作为谐振器长度的函数的近红外光束在短轴上的计算出的M2值的曲线图。
图4是示意性地示出在图2A的实施例中，对于不同的脉冲重复频率，作为输出耦合谐振器镜面反射率的函数的计算出的近红外输出功率的曲线图。
图5是示意性示出在图4的实施例中，作为输出耦合谐振器镜面反射率的函数的FWHM脉冲持续时间的曲线图。
图6是示意性地示出对于两种不同的LBO晶体温度，作为在LBO晶体中的传播距离的函数的，由二次谐波产生产生的可见光束在长轴上的计算出的M2值和类型1非临界相位匹配LBO晶体中的计算出的二次谐波转换效率百分比的曲线图。
图7是示意性示出对于两种不同的晶体温度，作为图6的LBO晶体中传播距离的函数的，近红外光束长轴上的计算出的M2值和计算出的近红外光束中未转换功率的百分比的曲线图。
图8A是示意性地示出在温度为90摄氏度的情况下，作为两个LBO晶体中传播距离的函数的，在两个LBO晶体中通过和频混合产生的紫外输出光束在两个横轴上的计算出的M2值和计算出的百分比转换效率的曲线图。
图8B是示意性地示出在温度为100摄氏度的情况下，作为两个LBO晶体中传播距离的函数的，在两个LBO晶体中通过和频混合产生的紫外输出光束在两个横轴上的计算出的M2值和计算出的百分比转换效率的曲线图。
图9A和9B示意性地示出了根据本发明的外部三倍频重复脉冲固态激光器的优选实施方案，类似于图1的激光器，但是近红外和可见光束被两个非线性晶体转换成紫外光束。
图10示意性地示出了根据本发明的优选实施方案，其具有两个外部三倍频重复脉冲固态激光器，每个都类似于图9A的激光器，提供空间组合的两个非偏振紫外输出光束。
图11示意性地示出了根据本发明的内部三倍频重复脉冲固态激光器的优选实施方案。
图12A、图12B和图12C示意性地示出了用于组合图1A的六个激光器的紫外输出光束并且形成投射到待退火硅层上的线束的线投影仪的优选实施方案。
发明详述
现在转向附图，其中相同的特征由相同的附图标记表示，图1A示意性地示出了根据本发明的外部三倍频重复脉冲固态激光器的优选实施方案10。激光器10具有在高反射谐振器反射镜14(HR镜)和部分透射输出耦合谐振器反射镜16(OC镜)之间形成的线性谐振器12。笛卡尔x轴、y轴和z轴在图上标明以供参考。
谐振器12包括位于谐振器反射镜14和16之间的呈平板形式的增益元件18。谐振器12在图1B中以透视图示意性地示出。为简化说明，谐振器内的其他部件从图1B中省略。增益元件18由来自二维二极管激光器阵列20A和20B的泵浦辐射通电。泵浦辐射示于图1A中，用箭头E表示。泵浦辐射分别通过分色镜22A和22B折叠到增益元件中。例如，增益元件可以是掺钕(Nd3+)或掺镱(Yb3+)的钇铝石榴石(YAG)或原钒酸钇(YVO4)晶体。这些晶体在电磁光谱的近红外区域中在大约1020nm和大约1080nm之间的波长处提供光学增益，这是掺杂离子和晶体材料的特征。
通电的增益元件18产生具有近红外波长的基波辐射束，其在谐振器12中循环。该基波辐射由箭头F表示。循环的基波辐射是线偏振的，具有由箭头PF指示的偏振取向。该偏振取向由位于谐振器中的薄膜偏振器24建立。谐振器的Q开关脉冲操作由位于谐振器12中的普克尔斯盒26和四分之一波片28共同实现。
增益元件的优选末端泵浦和Q开关脉冲操作是示例性的，不应视为限制本发明。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，增益元件18可以是侧向泵浦的并且可以利用“空腔倾倒”脉冲操作。
来自谐振器12的输出基波辐射束透射穿过OC镜16并由透镜30聚焦到光学非线性晶体32中，该晶体被布置用于基波辐射的类型1倍频。半波片34将导向非线性晶体32的基波辐射的偏振取向旋转90°。部分基波辐射被非线性晶体32转换成二次谐波辐射束，其波长在电磁波谱的可见光区，留下残余基波辐射束。例如，高达约50％的基波辐射被转换。二次谐波辐射在图中用双箭头2H表示。二次谐波辐射的极化取向与基波辐射的极化取向正交，如箭头P2H所示。
二次谐波辐射和残余基波辐射都由透镜36聚焦，通过选择性波片38，进入光学非线性晶体40。非线性晶体40被布置用于二次谐波辐射与残余基波辐射的类型1和频混合，以产生三次谐波辐射束。三次谐波辐射在图中由三个箭头3H表示。用于二次谐波产生和和频混合的合适晶体包括三硼酸锂(LBO)、β硼酸钡(BBO)、硼酸铯(CB)和硼酸铯锂(CLBO)。上述波长在1020nm和1080nm之间的三倍频提供了大约340nm与大约360nm之间的输出波长。
选择性波片38被配置为不提供基波辐射的偏振旋转和二次谐波辐射的90度偏振旋转，从而对准用于类型1和频混合的偏振取向。三次谐波辐射具有与基波辐射和二次谐波辐射的取向正交的偏振取向，如箭头P3H所示。如果应用需要，输出三次谐波辐射的偏振取向可以通过另一个半波片(未显示)旋转。输出的三次谐波辐射由透镜42准直，形成准直的紫外输出光束44。在和频混合之后有一些剩余的基波辐射和剩余的二次谐波辐射(未示出)。该剩余辐射可以通过滤波器(也未示出)例如薄膜干涉滤波器与输出三次谐波辐射分离。对于大多数应用，优选去除剩余的辐射。
来自谐振器12的输出基波辐射束和紫外输出光束44具有平行于x轴的第一横轴、平行于y轴的第二横轴，并沿z轴传播，如图1A和1B中所示。横向x轴和横向y轴相互正交。HR反射镜14和OC反射镜16可以是平坦的或者可以是仅在第二横轴上具有反射屈光力的圆柱形。
第一横轴在下文中被称为“横轴”或“长轴”。第二横轴在下文中被称为“垂直轴”或“短轴”。z轴称为“传播轴”。为便于描述，本文使用诸如“水平”、“垂直”、“长”和“短”等术语。“水平”和“垂直”并不意味着限制使用中的激光装置的空间取向。同样，“长”和“短”并不意味着限制光束的纵横比，光束很容易被透镜和反射镜转换。本领域技术人员将认识到，可以使用潜望镜互换输出光束的短轴和长轴，并且可以使用一个或多个望远镜来调整光束尺寸。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行这些改变。
图1C是示意性说明在具有窗口50的外壳48中的图1A的三倍频脉冲固态激光器的透视图，紫外线输出光束44通过该窗口传送。图中示出了紫外线输出光束的短轴和长轴的示例性M2值和示例性横截面尺寸。示例性M2值分别大于20和大于200。紫外输出光束44的示例性横截面尺寸分别为约5mm和约46mm。来自具有平板状的增益元件18的本发明激光器10的紫外输出光束44可以是矩形的或可以是椭圆形的横截面。例如，横截面形状取决于增益元件是侧泵浦还是端泵浦。
本发明的激光器10能够传送具有大于约10ns的半峰全宽(FWHM)脉冲持续时间和重复频率大于约100Hz的情况下大于约每脉冲100mJ的脉冲能量的紫外输出脉冲。
此处应注意，本发明激光器10的设计代表了与常规固态激光器设计的根本不同，在常规固态激光器设计中，努力旨在最大化光束质量(最小化M2)以用于诸如激光切割和激光钻孔之类的操作。在这些操作中，需要精确聚焦激光辐射。这种传统的固态激光器通常传送具有标称圆形横截面和在两个横轴上的M2值小于约1.5的激光束。发射紫外线辐射的多模固态激光器也被设计为在给定的输出功率下具有尽可能低的M2值。通常，这些激光器产生的紫外输出光束在两个横轴上的M2值都小于20。
设计本发明激光器10的目的是使M2最大化以达到在短轴上大于约20且在长轴上大于约200的值，其中长轴M2值大于短轴M2值。这些大的光束品质因数是本发明激光器旨在替代的上述准分子激光器的特征。最大化M2值的关键是平板状的增益元件18，与上面讨论的圆柱形谐振器反射镜14和16配合使用。增益元件18具有水平宽度W、垂直厚度T和长度L，如图1B所示。
上述使用来自二维二极管激光器阵列20A和20B的细长光束的端部泵浦提供了细长的增益体积，具有水平宽度w、垂直高度h和长度L(增益元件的长度)。尺寸为宽w×高h的横截面增益区46定义了增益元件18内的基波辐射束的横截面。增益区46充当谐振器12内的软孔径。宽度w明显更大比高度h，最好至少大三倍。下面在描述本发明激光器10的示例的计算性能时参考这些代表性尺寸。
图2A和2B以图形方式示出了在图1A的本发明激光器10的实施例中，在垂直轴上从谐振器12输出的基波辐射的计算的光束品质因数M2与谐振器长度的关系。谐振器长度是谐振器反射镜14和16之间的距离。谐振器反射镜14和16在图2A的计算中是平坦的。在图2B的计算中，谐振器反射镜14和16是凹面的，具有1m的曲率半径。增益元件18位于谐振器的中心。描绘了增益元件中不同热透镜的M2值，在垂直轴上从1屈光度(D)到5D。在该实施例中，产生具有约1064nm波长的基波辐射。增益元件18的尺寸宽度W、长度L和厚度T分别假定为50mm、50mm和5.0mm。增益区46具有40mm的宽度w和3.0mm的高度h。
图2C以图形方式示出了在具有平面谐振器反射镜的图2A的谐振器中，水平轴上的输出基波辐射的计算的光束品质因数M2与谐振器长度的关系。增益元件18中的热透镜在水平轴上约为0D。然而，可以通过在水平轴上添加具有屈光力的柱面透镜来引入腔内聚焦或散焦。描述了不同的柱面透镜对的M2值，从0.05D到0.25D的总屈光度，柱面透镜对对称地位于增益元件的每一端附近。向谐振器添加正屈光力会增加水平轴上的M2值。
图3以图形方式示出了图2A的谐振器中垂直轴上的输出基波辐射的计算出的光束品质因数M2与谐振器长度的关系。此处，增益元件18中的热透镜在垂直轴上为2.75D。描述了谐振器反射镜在垂直轴上的不同曲率半径(从0.2m到0.6m)的M2值。图2A示出了向谐振器添加正屈光力增加了垂直轴上的M2值。同样，图3显示向谐振器添加正反射屈光力显著增加了垂直轴上的可访问M2值。
实施例证明激光谐振器模式被建立，其光束品质因数由谐振器长度、增益区、腔内透镜和谐振器反射镜的曲率确定。热透镜在垂直轴上最强，在水平轴上可以忽略不计。由于增益元件18的平板形状和增益区46的延长，垂直轴上的最终M2值仍然小于水平轴上的M2值。每个横轴上的屈光力或反射屈光力可以使用腔内透镜或曲面谐振器反射镜来独立修改以实现输出基波辐射所需的M2值。同样，在示例性激光器中，垂直轴对应于基波辐射的短轴而水平轴对应于基波辐射的长轴。
进一步假设增益元件18是Nd3+掺杂的YAG晶体。如果增益元件被吸收的泵浦辐射的每脉冲4.8J激励，则平板状的增益元件的屈光力在短轴上约为4.75D，在长轴上约为0D。在这些条件下，谐振器12可以被配置为对于在短轴上大于10并且在长轴上大于50的输出基波辐射可靠地产生M2值。优选地，谐振器12将被配置为在短轴上产生大于20且在长轴上大于200的M2值。
图4是计算的输出基波辐射功率作为OC镜反射率的函数的曲线图，其中示例性Nd3 +:YAG谐振器在500Hz至900Hz的不同脉冲重复频率下操作。此处，谐振器长度为1m，谐振器反射镜是平的。其他谐振器参数与图2A相同。可以看出，在600Hz的脉冲重复频率和约60％的OC镜反射率下，输出基波辐射功率峰值约为1,100W，对应于约1.86焦耳的脉冲能量。在下面呈现的实施例中，假设谐振器以600Hz的脉冲重复频率被泵浦并以600Hz的脉冲重复频率工作。图5是图4的实施例中作为OC镜反射率的函数的FWHM脉冲持续时间的曲线图。可以看出，最佳60％OC反射镜反射率导致大约25ns的脉冲持续时间。
模型计算表明，当谐波转换效率被优化时，来自本发明激光器10的输出三次谐波辐射功率可以预期为来自谐振器12的输出基波辐射功率的大约32％。因此，可以预期本发明的三倍频固态激光器在355nm的波长下提供约350W的紫外输出功率。通过进一步改进本发明的近红外谐振器可以实现更高的功率。在此紫外输出功率下，将需要大约十二个本发明激光器的组合输出来提供由六个准分子激光器产生的相同功率。
图6以图形方式说明了对于类型1非临界相位匹配LBO晶体，作为传播距离的函数的计算的二次谐波产生效率。转换效率以百分比表示。基波辐射的束腰位于LBO晶体的中心。束腰的横截面尺寸假定为短轴为1mm，长轴为10mm。假设入射脉冲能量为0.375J，假设脉冲持续时间为25ns。TNCPM是平面波的非临界相位匹配温度，通常计算出来的范围在大约150℃到大约160℃之间。精确的温度取决于计算中使用的Sellmeier系数。计算结果显示了两个晶体温度，TNCPM+0.4℃和TNCPM+0.9℃。实施例中聚焦光束的最佳晶体温度约为TNCPM+0.9℃。这种与TNCPM的轻微失谐部分补偿了束腰两侧基波辐射的波前曲率。
确定了来自谐振器12的输出基波辐射的已经很高的M2值可以通过非线性晶体32显著增加。二次谐波辐射是通过非线性晶体中的二次谐波产生从输出基波辐射产生的。图6还示出了作为晶体内传播距离的函数的计算的长轴上的二次谐波辐射束品质因数M2。假设多模基波辐射的入射光束波长为1064nm，短轴M2值为10，长轴M2值为50。计算表明，在最佳晶体温度下，长轴上的M2值增加了一倍多，从基波辐射入射光束的50到从LBO晶体发出的二次谐波辐射束的108。即使对于LBO晶体内几毫米的短传播距离，二次谐波辐射束的M2值也会增加到大约67。
图7是在图6的非临界相位匹配LBO晶体中作为传播距离的函数的未转换基波辐射的长轴上的计算出的光束品质因数M2的曲线图。图7还图示了作为LBO晶体内的传播距离的函数的计算出的未转换的基波辐射功率。未转换的功率表示为LBO晶体上入射基波辐射功率的百分比。离开LBO晶体的未转换的基波辐射变成引导到非线性晶体40中的残余基波辐射。对于与图6相同的晶体温度进行计算。长轴上未转换的基波辐射的M2值也在最佳晶体温度下增加，当光束通过非线性晶体32传播时，增加一倍以上，达到最大值约106。因此，非线性晶体40通过残余基波辐射束和二次谐波辐射束的和频混合产生三次谐波，每个辐射束在长轴上的M2值都大于100。
图6和图7示出了有利于激光退火的生成的二次谐波光束和残余基波光束的光束品质因数M2的增加。这些增加源于传播光束的波前曲率的变化以及基波辐射到二次谐波辐射的转换以及二次谐波辐射到基波辐射的反向转换。通常，当基波光束和二次谐波光束具有相同的波前曲率时，倍频最有效。对于具有平顶强度分布的多模光束，当二次谐波光束的M2值是基波光束的M2值的两倍时，会发生波前曲率的精确匹配。当光束通过非线性晶体传播时的M2值的变化是由各种横向模式之间的连续转换和反向转换产生的。
图8A和8B以图形方式说明作为通过非线性晶体40的传播距离的函数的三次谐波辐射的计算出的光束品质因数M2，非线性晶体40具有两个单独的LBO晶体的形式，每个晶体具有30mm的长度。两个LBO晶体被配置和安排用于走离补偿。图8A的每个晶体中的温度为90℃，图8B的每个晶体中的温度为100℃。图8A和8B还图示了作为两个LBO晶体内的传播距离的函数的计算出的三次谐波转换效率。同样，当所有光束的波前曲率匹配时，基波辐射到三次谐波辐射的整体转换是最有效的。当三次谐波光束的M2值是基波光束的三倍，二次谐波光束的M2值是基波光束的两倍时，就会发生精确匹配。
假设被引导到第一LBO晶体中的残余基波辐射的入射光束在短轴具有10.5的M2值和在长轴具有106的M2值。引导到第一LBO晶体的入射的二次谐波辐射束的M2值在短轴上为17，在长轴上为92。每个LBO晶体中心的束腰横截面尺寸假定为短轴为0.5mm，长轴10为mm。假设入射脉冲能量为0.206J的残余基波辐射和0.169J的二次谐波辐射。即，基波辐射中的脉冲能量与二次谐波辐射中的脉冲能量之比为55％至45％。脉冲持续时间仍假定为25ns。
确定输出三次谐波辐射的M2值在90℃下通过两个LBO晶体传播后进一步增加到短轴上的22和长轴上的176。也就是说，长轴上的M2值大于入射二次谐波辐射和残余基波辐射的M2值的1.5倍。整体转换效率为30％。为了总结模型计算的结果，来自谐振器的M2值为10和50的输出基波辐射被转换为M2值分别约为22和176的输出三次谐波辐射。每脉冲0.375J的基波辐射被转换为每脉冲0.113J的三次谐波辐射。
模型计算表明，在非线性晶体32中产生二次谐波之后，短轴上大约15到25之间和长轴上大约150到200之间的基波辐射M2值可以增加到短轴为大约30到50之间，长轴为约300至400。也就是说，光束品质因数在每个轴上的值都翻倍。在非线性晶体40中进行和频混合之后，三次谐波辐射M2值可以进一步增加到短轴上的约45到65之间以及长轴上的约450到600之间。最终，和频混合后长轴上的M2值可能会受到非线性晶体的角度接受限制的约束。然而，输出三次谐波光束的M2值在短轴上可大于约60，在长轴上可大于约400。这与上面讨论的由目前用于激光退火的准分子激光器产生的紫外光束的短轴80和长轴500的M2值相比。
图8A和图8B证明具有串联布置的多个非线性晶体以产生三次谐波辐射可以提供足够的传播距离以实现期望的光束品质因数。图9A示意性地示出了根据本发明的外部三倍频重复脉冲固态激光器的另一个优选实施方案80。激光器80类似于图1的激光器10，但具有两个非线性晶体40和82以通过和频混合产生三次谐波辐射。非线性晶体40和82可以具有相同的长度或可以具有不同的长度，选择它们以优化基波辐射到三次谐波辐射的整体转换并提供期望的光束品质因数。波片34左侧的实施方案80的光学元件与图1实施方案中的相同，为了便于说明而省略。
输出基波辐射的一部分被非线性晶体32转换成二次谐波辐射束。二次谐波辐射和残余基波辐射都被透镜92聚焦到非线性晶体40中，通过和频混合产生一个三次谐波辐射束。该三次谐波光束通过反射镜84与残余的基波光束和残余二次谐波光束分离，并由反射镜86通过半波片88引导到立方棱镜偏振器90上。反射镜84对于基波辐射和二次谐波辐射是透射的。反射镜84和86对于三次谐波辐射是反射的。
通过反射镜84传输的共同传播的残余基波光束和残余二次谐波光束被聚焦到非线性晶体82中以产生另一束三次谐波辐射。该三次谐波光束通过另一个反射镜84与剩余的基波光束和剩余的二次谐波光束分离，并由此被引导到偏振器90上。入射到偏振器90上的两个三次谐波辐射束具有正交的线性偏振并由此组合以形成紫外辐射44的输出光束。偏振器90具有偏振选择表面，该表面对于一种偏振是透射的并且对于正交偏振是反射的。因此，紫外输出光束44包括两种线性偏振。各种透镜将光束聚焦到非线性晶体中，并如图所示准直光束。例如，镜头92。
图9B示意性地示出了根据本发明的外部三倍频重复脉冲固态激光器的又一优选实施方案100。激光器100类似于激光器80，但主要使用反射镜而不是透镜来聚焦和准直光束。例如，激光器100中的反射镜102代替激光器80中的透镜92。同样，在单独的非线性晶体中产生两个三次谐波光束。在激光器100中，这些三次谐波光束通过反射三次谐波辐射的反射镜104在空间上组合以形成紫外输出光束44。激光器100的一个优点是紫外输出光束44是线性偏振的。
为了演示以上描述的本发明的原理，与图9A的实施方案80类似的两个外部三倍频重复脉冲固态激光器被建模。每个激光器都有谐振器，该谐振器在1064nm处产生一束输出基波辐射，其尺寸为2mm×40mm，光束品质因数在短轴×长轴上为25×100。一个由LBO制成的非线性晶体通过I型倍频产生532nm的二次谐波辐射束。由LBO制成的两个串联排列的非线性晶体通过I型和频混合产生两个三次谐波辐射束。这两个三次谐波辐射束被准直和偏振组合以形成非偏振紫外线辐射的输出光束，如图9A所示。每个激光器的偏振组合输出光束的尺寸为5mm×40mm，光束品质因数在短轴×长轴上为70×225。
图10示意性地示出了根据本发明的优选实施方案120，用于在空间上组合两个外部三倍频重复脉冲固态激光器的输出光束。每个激光器具有外壳48和窗口50，输出光束44通过窗口50传送。输出光束之一被反射镜122引导到反射镜124上，反射镜124精确定位以在空间上将两个输出光束组合成非偏振紫外线辐射126的组合光束。组合光束126具有约5mm×80mm的尺寸，短轴×长轴的光束品质因数约为70×450。组合光束126也具有每个输出光束44的两倍的功率。
图11示意性地示出了根据本发明的内部三倍频重复脉冲固态激光器的优选实施方案110。激光器110类似于激光器10，在HR反射镜14和另一个高反射谐振器反射镜112之间形成谐振器12，该反射镜对基波辐射和二次谐波辐射都具有高反射性。在激光器110中，非线性晶体32和40位于谐振器12内。基波辐射束在谐振器12中循环。输出耦合是通过基波辐射部分转换为谐波辐射，而不是基波辐射通过输出耦合反射镜部分传输。
在图中从左到右传播时，腔内基波辐射束穿过半波片34、非线性晶体40、非线性晶体32，并被HR反射镜112反射。半波片34旋转基波辐射的偏振取向，然后非线性晶体32将基波辐射部分地转换为二次谐波辐射束，其也被HR镜112反射。反射的基波辐射和二次谐波辐射从右向左共同传播通过非线性晶体32、选择性波片38、非线性晶体40，并到达输出镜114。反射的基波辐射被非线性晶体32进一步转换成二次谐波辐射，增加二次谐波辐射束的功率。选择性波片38仅旋转二次谐波辐射的偏振。非线性晶体40将基波辐射和二次谐波辐射部分地转换成三次谐波辐射束。输出镜114对于基波辐射是高度透射的并且对于二次谐波和三次谐波辐射是反射的。准直的紫外输出光束44由输出镜114引导出谐振器12。输出的三次谐波辐射的偏振由箭头P3H指示。三个透镜将光束聚焦到非线性晶体中，并如图所示准直光束。
图12A、图12B和图12C示意性地示出了用于组合和均匀化图1A的六个三倍频固态激光器的输出的线投影仪的优选实施方案60。线投影仪60将组合输出形成为线束，该线束投影到支撑在基板64上的要退火的硅层62上。投影线束中的偏振取向分布是可选择的。
六个激光器被指定为激光器10A、10B、10C、10D、10E和10F。假设六个激光器具有名义上相同的输出特性。每个激光器发射的紫外线辐射是线偏振的，这里是S偏振。每个激光器引导辐射束通过六个对应的偏振旋转器66之一。在所描绘的实施例中，偏振旋转器被调整使得来自激光器10A和10F的辐射没有偏振旋转并且保持S偏振。来自激光器10C和10D的辐射被偏振旋转90°并变为P偏振。来自激光器10B和10E的辐射被偏振旋转了0°和90°之间的某个角度，到P偏振和S偏振之间的中间取向(I偏振)。例如，旋转45°的角度。
具有各种偏振取向的辐射束然后穿过六个长轴光束均化器中的相应一个，每个长轴光束均化器包括两个柱面透镜阵列68A和68B。所有光束均化器的输出由球面透镜70收集。球面透镜70与柱面透镜72、球面透镜74和柱面透镜76协作将激光器10A-F的输出组合成基板64上的线束。球面透镜70和74确定线束的长度LL。透镜70、72、74和76定义了线束的宽度LW，如图12C所示。每个激光器向均匀线束照明硅层62的整个长度传送辐射。图12A的线投影仪能够组合和均匀化来自多个激光器10的光束，这里是六个激光器，并形成宽度LW小于约1.0mm的线束。
图12B示意性地示出了线束长度上任何点处的辐射偏振如何成角度分布。在所描绘的实施例中，偏振取向从最高入射角的S偏振，通过I偏振，转变为接近正常入射角的P偏振。
应当注意，这里仅呈现线投影仪60的足够细节以用于理解本发明的原理。在转让给本发明的受让人的美国专利申请公开号2016/0259174中提供了用于对来自多个紫外准分子激光器的输出进行偏振、组合、均匀化和投影的特定装置的详细描述，其完整公开了在此通过引用并入。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以使用其他光束组合和投射装置。
总之，以上描述的是本发明的三倍频固态激光器，其产生具有与准分子激光器相当的平均功率、脉冲能量和光束参数的紫外输出光束。三倍频可以是内部的或外部的。本发明激光器的谐振器的设计方法与传统的现有技术固态激光器的设计方法完全不同，能够产生具有细长横截面和在一个横轴上显著大于10且在正交横轴上显著大于50的M2值的近红外光束。这种设计方法规定，近红外光束的M2值在三倍频过程中乘以在一个横轴上高达60且在正交横轴上高达400的值。几个本发明激光器的紫外输出光束可以以用于组合现有技术紫外准分子激光器的输出光束的方式组合。
以上根据优选实施方案描述了本发明。然而，本发明不受本文描述和描绘的实施方案的限制。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (27)

1.用于对基板上的层进行退火的光学装置，包括：
多个变频重复脉冲固态激光器，每个变频重复脉冲固态激光器传送的输出光束的波长在电磁光谱的紫外区中，每个输出光束的横截面的特征在于相互正交的第一横轴和第二横轴，第一横轴上的光束品质因数M2大于约50，第二横轴上的光束品质因数M2大于约20，激光脉冲具有大于约100毫焦耳的脉冲能量，以及脉冲重复频率大于约100赫兹；以及
线投影仪，其布置成接收所述输出光束，将所述输出光束形成为线束，并将线束投射到层上，线束在层上具有长度和宽度。
2.如权利要求1所述的装置，其中，在所述第一横轴上的光束品质因数M2大于大约200。
3.如权利要求1所述的装置，其中，每个输出光束对所述线束的整个长度有贡献。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述变频重复脉冲固态激光器中的每一个包括具有增益元件的激光谐振器，所述增益元件被一个或多个二极管激光器阵列光泵浦，所述二极管激光器阵列被布置成在所述增益元件中提供增益体积，分别在第一横轴和第二横轴上具有第一维度和第二维度。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第一横轴尺寸大于或等于所述第二横轴尺寸的三倍。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述激光谐振器形成在仅在所述第二横轴上具有光功率的第一谐振器反射镜与第二谐振器反射镜之间。
7.如权利要求4所述的装置，其中，所述激光谐振器产生具有作为增益元件特性的电磁波谱的近红外区波长的基波辐射束，所述激光谐振器将基波辐射束以数字序列传送到第一和第二光学非线性晶体，第一光学非线性晶体被布置成从基波辐射束产生二次谐波辐射束，第二光学非线性晶体被布置成通过在二次谐波辐射束产生后将二次谐波辐射束与残余基波辐射束和频混合来产生输出光束。
8.如权利要求7所述的装置，其中，在第一横轴和第二横轴上的二次谐波辐射束的M2值大于基波辐射束的对应M2值，并且在第一横轴上和第二横轴上的输出光束的M2值大于二次谐波辐射束的对应值。
9.如权利要求8所述的装置，其中，在第一横轴上的二次谐波辐射束的M2值是在第一横轴上的基波辐射束的M2值的至少两倍。
10.如权利要求8所述的装置，其中，在第一横轴上的输出光束的M2值大于在第一横轴上的二次谐波辐射的M2值的1.5倍。
11.如权利要求8所述的装置，其中，所述第一横轴上的输出光束的M2值大于所述第一横轴上的残余基波辐射的M2值的1.5倍。
12.如权利要求7所述的装置，其中，所述输出光束的波长在从340纳米到360纳米的范围内。
13.如权利要求1所述的装置，其中，所述激光脉冲的半高全宽脉冲持续时间大于约10纳秒。
14.如权利要求1所述的装置，其中，所述输出光束是线偏振的。
15.如权利要求1所述的装置，其中，所述层由硅制成。
16.固态激光装置，包括：
位于两个谐振器反射镜之间形成的谐振器中的增益元件，该增益元件呈平板形式并由泵浦辐射激励，受激励的谐振器产生重复脉冲的基波辐射束，基波辐射束相互具有相互正交的第一横轴和第二横轴，第一横轴上的光束品质因数M2大于50，第二横轴上的光束品质因数M2大于10；
第一非线性晶体，所述基波辐射束被引导到第一非线性晶体中，其一部分通过二次谐波产生转换成二次谐波辐射束，留下残余基波辐射束；以及
第二非线性晶体，二次谐波辐射束和残余基波辐射束都被引导到所述第二非线性晶体中，从而通过和频混合产生三次谐波辐射束，留下共传播的残余基波辐射束和残余二次谐波辐射，三次谐波辐射束在第一横轴上的光束品质因数M2大于50，在第二横轴上的光束品质因数M2大于20，并且脉冲能量大于约100毫焦耳。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述三次谐波辐射束的光束品质因数M2在所述第一横轴上大于约200。
18.如权利要求16所述的装置，其中，所述增益元件是掺钕钇铝石榴石(Nd 3+掺杂YAG)晶体。
19.如权利要求16所述的装置，其中，所述第一非线性晶体由LBO制成。
20.如权利要求16所述的装置，其中，所述第一非线性晶体被布置用于所述基波辐射束的类型1倍频。
21.如权利要求16所述的装置，其中，所述第二非线性晶体由LBO制成。
22.如权利要求16所述的装置，其中，所述第二非线性晶体被布置用于二次谐波辐射束与残余基波辐射束的类型1和频混合。
23.如权利要求16所述的装置，还包括第三非线性晶体，将共传播的残余基波辐射束和残余二次谐波辐射束引导到所述第三非线性晶体中，从而通过和频混合产生另一三次谐波辐射束。
24.如权利要求23所述的装置，其中，所述两个三次谐波辐射束是偏振组合的。
25.如权利要求23所述的装置，其中，所述两个三次谐波辐射束在空间上被组合。
26.如权利要求16所述的装置，还包括配合布置用于Q开关操作的普克尔斯盒和四分之一波片。
27.固态激光装置，包括：
位于两个谐振器反射镜之间形成的谐振器中的增益元件，呈平板形式的增益元件在第一横轴上比在正交的第二横轴上长，所述增益元件由泵浦辐射激励，受激励的谐振器产生重复脉冲的基波辐射束，该基波辐射束在第一横轴上的光束品质因数M2大于50，在第二横轴上的光束品质因数M2大于10；
第一非线性晶体，所述基波辐射束被引导到所述第一非线性晶体中，其一部分通过二次谐波产生而转换成二次谐波辐射束，留下残余基波辐射束；以及
第二非线性晶体，所述二次谐波辐射束和残余基波辐射束都被引导到第二非线性晶体中，从而通过和频混合产生三次谐波辐射束，留下共传播的残余基波辐射束和残余二次谐波辐射；
其中，所述二次谐波辐射束在第一横轴和第二横轴上的光束品质因数M2大于相应的基波辐射束的光束品质因数M2，所述三次谐波辐射束在第一横轴和第二横轴上的光束品质因数M2大于相应的二次谐波辐射束的光束品质因数M2。
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