準(zhǔn)分子激光器一直是支持平板顯示制造的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。它們可產(chǎn)生高能量紫外(UV) 脈沖激光，其脈沖間能量差異非常小且具有極佳的光斑勻化度。

這些獨(dú)特的特性使得Coherent 高意公司能夠以 VYPER 準(zhǔn)分子激光器為基礎(chǔ)，匹配 LineBeam 光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分子激光退火（ELA）工藝。對(duì)玻璃基板上的非晶硅層進(jìn)行退火處理，是生產(chǎn)智能手機(jī)和平板電腦顯示面板的關(guān)鍵。ELA 是OLED 平板顯示制造中的工藝標(biāo)準(zhǔn)，被業(yè)內(nèi)廣泛采納。

但準(zhǔn)分子激光器這些獨(dú)特的紫外脈沖激光特性也會(huì)帶來(lái)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)營(yíng)成本等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：準(zhǔn)分子激光管的使用壽命有限，在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的平板顯示制造產(chǎn)線中，必須做定期更換。此外，一些光學(xué)窗口鏡片因?yàn)樽贤夤獬掷m(xù)照射而導(dǎo)致性能退化，也需要定期更換。

顯示面板制造產(chǎn)線的停工成本很高，維護(hù)周期則增加了消耗性備件的費(fèi)用。

但是沒(méi)有任何低成本的激光技術(shù)能夠產(chǎn)生 ELA 工藝所需的高能量紫外脈沖激光。直到現(xiàn)在也沒(méi)有。

01 PYTHON 的構(gòu)想

作為推動(dòng)技術(shù)向前發(fā)展的持續(xù)創(chuàng)新周期的一部分，Coherent 高意于2019 年正式啟動(dòng)了為 ELA 工藝開(kāi)發(fā)二極管泵浦固態(tài) (DPSS) 激光器的計(jì)劃。

“我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種擁有更低運(yùn)營(yíng)成本的激光器，其輸出特性與我們的 VYPER 準(zhǔn)分子激光器基本相同，而 VYPER 準(zhǔn)分子激光器是目前全球所有生產(chǎn) ELA 設(shè)備的來(lái)源，這使得我們能夠?qū)?PYTHON 與現(xiàn)有的 LineBeam 光學(xué)系統(tǒng)做集成，客戶只需對(duì)他們的工藝進(jìn)行微調(diào)（或無(wú)需調(diào)整），便可繼續(xù)使用成熟的退火系統(tǒng)。”Coherent 高意公司激光部門(mén)首席技術(shù)官Norman Hodgson 博士說(shuō)道。

“當(dāng)然，Coherent 高意公司在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高可靠性的固態(tài)激光器方面已經(jīng)擁有了豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)。問(wèn)題在于，以前幾乎沒(méi)有任何研究成果用于制造符合 ELA 工藝嚴(yán)苛要求的激光器。我們必須從頭開(kāi)始，發(fā)明新技術(shù)。”

紫外 DPSS 激光器的設(shè)計(jì)通常要求其具有良好的光束質(zhì)量 (M²<1.3) 和小于 1mJ 的脈沖能量。這使它們能夠聚焦到非常小的光斑尺寸上，成為微加工的理想來(lái)源。有時(shí)，在需要更高的功率時(shí)，激光器可能會(huì)以多模方式運(yùn)行，其 M² 高達(dá) 25，脈沖能量高達(dá)40 mJ。

但我們的 DPSS VYPER 替代品（稱為 PYTHON）的設(shè)計(jì)目標(biāo)與此完全不同。我們需要更高的 M² 和以及高達(dá) 1J 的脈沖能量來(lái)復(fù)制 VYPER 的光束特性。

02 設(shè)計(jì)創(chuàng)新

要設(shè)計(jì)滿足 ELA 工藝所需獨(dú)特輸出特性的固態(tài)激光器，主要有三個(gè)不同領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

第一個(gè)領(lǐng)域涉及非線性晶體，用于將原始的紅外激光輸出轉(zhuǎn)換為紫外光。PYTHON 所使用的晶體，其物理尺寸和需要處理的激光功率，與之前的任何晶體相比，都處于非常不同的狀態(tài)。即使要對(duì)這種規(guī)模的激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，也需要開(kāi)發(fā)新的方法。

制造這些大晶體也是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，尤其是要達(dá)到處理高功率激光所需的質(zhì)量水平。Coherent 高意公司在我們自己的 Advanced Crystals Group 中生長(zhǎng)和制造這些晶體。公司內(nèi)部擁有這種能力，這對(duì)于開(kāi)發(fā)高質(zhì)量需求的晶體，以及在投入生產(chǎn)時(shí)保持可靠的供應(yīng)至關(guān)重要。

為所有光學(xué)元件開(kāi)發(fā)鍍膜涂層則是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。涂層必須能夠承受極高的激光能量密度，而不會(huì)受到損壞。 

雖然具備高能量激光損傷閾值的涂層已經(jīng)存在了幾十年，但激光退火這種應(yīng)用需要滿足一系列獨(dú)特的要求。具體來(lái)說(shuō)，涉及到光斑尺寸、脈沖能量和連續(xù)曝光等一系列問(wèn)題（因?yàn)橄到y(tǒng)幾乎是 24/7 全天候運(yùn)行的）。 

“我們必須開(kāi)發(fā)出全新的涂層設(shè)計(jì)，然后根據(jù)生命周期測(cè)試結(jié)果，以及對(duì)涂層和元件本身的分析進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代。這是因?yàn)槠涔に囘\(yùn)行條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常的性能范圍，以至于我們之前所掌握的一切都不夠好。”Hodgson 指出。 

最后一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新領(lǐng)域是用于Q 開(kāi)關(guān)激光器的技術(shù)。這涉及在激光諧振腔內(nèi)放置一個(gè)調(diào)制器，以產(chǎn)生脈沖寬度為幾十納秒的高能量脈沖。這是一種極為常見(jiàn)的技術(shù)，在許多 Coherent DPSS 激光器中都在使用。

但是，PYTHON 中的激光功率和光斑尺寸再次讓傳統(tǒng)方法失效了。因此，Coherent 高意公司團(tuán)隊(duì)為 PYTHON 開(kāi)發(fā)了一種全新的專有脈沖技術(shù)。

03 一個(gè)跨國(guó)團(tuán)隊(duì)初具規(guī)模

多虧了我們多學(xué)科的工程團(tuán)隊(duì)，讓所有這些創(chuàng)新都迅速落地。該團(tuán)隊(duì)由具有 DPSS 激光器設(shè)計(jì)、泵浦二極管架構(gòu)、變頻技術(shù)、晶體生長(zhǎng)以及鍍膜涂層方法等專業(yè)知識(shí)的技術(shù)專家組成。

基于他們的努力，PYTHON 激光器的第一塊試驗(yàn)電路板在項(xiàng)目啟動(dòng)僅六個(gè)月后就投入使用了。大約一年后，完成兩個(gè)具有所需 600 W 輸出功率的原型激光系統(tǒng)。然后，我們將這些激光器與 LineBeam 光學(xué)系統(tǒng)集成到一起進(jìn)行退火測(cè)試。當(dāng)這些都驗(yàn)證成功后，我們開(kāi)始對(duì)最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測(cè)試。這一切在大約一年半的時(shí)間內(nèi)完成。

在德國(guó)哥廷根的Coherent 高意公司，一臺(tái) PYTHON 激光器與 LineBeam 系統(tǒng)集成在一起，用于進(jìn)行退火測(cè)試。

“PYTHON 的設(shè)計(jì)是我職業(yè)生涯中最具挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目，因?yàn)楸仨氁獮閹缀趺恳粋�(gè)激光元件進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，我無(wú)法想象，如果沒(méi)有 Coherent 高意公司在內(nèi)部進(jìn)行垂直整合，我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。我們需要推進(jìn)頻率轉(zhuǎn)換、Q 開(kāi)關(guān)、電介質(zhì)涂層和晶體生長(zhǎng)等技術(shù)的發(fā)展。我們之所以能夠做到這一點(diǎn)，是因?yàn)槲覀儞碛谐錾�的工程專家�?lái)開(kāi)發(fā)這些技術(shù)，并在內(nèi)部制造所有相應(yīng)的產(chǎn)品。這使我們能夠達(dá)到所需的性能、質(zhì)量和控制水平。”Coherent 高意公司激光部門(mén)首席技術(shù)官Norman Hodgson 博士說(shuō)道。

如今，PYTHON 提供了 ELA 工藝的替代方案，可降低50% 的運(yùn)營(yíng)成本，甚至可以改善退火工藝效果。

文章來(lái)源：Coherent高意激光

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