準分子激光器一直是支持平板顯示制造的一項關(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。

這些獨特的特性使得Coherent 高意公司能夠以 VYPER 準分子激光器為基礎(chǔ)，匹配 LineBeam 光學系統(tǒng)實現(xiàn)準分子激光退火（ELA）工藝。對玻璃基板上的非晶硅層進行退火處理，是生產(chǎn)智能手機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準，被業(yè)內(nèi)廣泛采納。

但準分子激光器這些獨特的紫外脈沖激光特性也會帶來運行時間和運營成本等現(xiàn)實問題：準分子激光管的使用壽命有限，在滿負荷運轉(zhuǎn)的平板顯示制造產(chǎn)線中，必須做定期更換。此外，一些光學窗口鏡片因為紫外光持續(xù)照射而導致性能退化，也需要定期更換。

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

但是沒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)在也沒有。

01 PYTHON 的構(gòu)想

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

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

“當然，Coherent 高意公司在設(shè)計和生產(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)驗和專業(yè)知識。問題在于，以前幾乎沒有任何研究成果用于制造符合 ELA 工藝嚴苛要求的激光器。我們必須從頭開始，發(fā)明新技術(shù)。”

紫外 DPSS 激光器的設(shè)計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源。有時，在需要更高的功率時，激光器可能會以多模方式運行，其 M² 高達 25，脈沖能量高達40 mJ。

但我們的 DPSS VYPER 替代品（稱為 PYTHON）的設(shè)計目標與此完全不同。我們需要更高的 M² 和以及高達 1J 的脈沖能量來復制 VYPER 的光束特性。

02 設(shè)計創(chuàng)新

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

第一個領(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)。即使要對這種規(guī)模的激光波長轉(zhuǎn)換過程進行數(shù)學建模，也需要開發(fā)新的方法。

制造這些大晶體也是一項巨大挑戰(zhàn)，尤其是要達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 中生長和制造這些晶體。公司內(nèi)部擁有這種能力，這對于開發(fā)高質(zhì)量需求的晶體，以及在投入生產(chǎn)時保持可靠的供應至關(guān)重要。

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

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，但激光退火這種應用需要滿足一系列獨特的要求。具體來說，涉及到光斑尺寸、脈沖能量和連續(xù)曝光等一系列問題（因為系統(tǒng)幾乎是 24/7 全天候運行的）。 

“我們必須開發(fā)出全新的涂層設(shè)計，然后根據(jù)生命周期測試結(jié)果，以及對涂層和元件本身的分析進行多次設(shè)計迭代。這是因為其工藝運行條件遠遠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。 

最后一個主要創(chuàng)新領(lǐng)域是用于Q 開關(guān)激光器的技術(shù)。這涉及在激光諧振腔內(nèi)放置一個調(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 高意公司團隊為 PYTHON 開發(fā)了一種全新的專有脈沖技術(shù)。

03 一個跨國團隊初具規(guī)模

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

基于他們的努力，PYTHON 激光器的第一塊試驗電路板在項目啟動僅六個月后就投入使用了。大約一年后，完成兩個具有所需 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 光學系統(tǒng)集成到一起進行退火測試。當這些都驗證成功后，我們開始對最終產(chǎn)品的設(shè)計和測試。這一切在大約一年半的時間內(nèi)完成。

在德國哥廷根的Coherent 高意公司，一臺 PYTHON 激光器與 LineBeam 系統(tǒng)集成在一起，用于進行退火測試。

“PYTHON 的設(shè)計是我職業(yè)生涯中最具挑戰(zhàn)性的項目，因為必須要為幾乎每一個激光元件進行定制開發(fā)，我無法想象，如果沒有 Coherent 高意公司在內(nèi)部進行垂直整合，我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)這一目標。我們需要推進頻率轉(zhuǎn)換、Q 開關(guān)、電介質(zhì)涂層和晶體生長等技術(shù)的發(fā)展。我們之所以能夠做到這一點，是因為我們擁有出色的工程專家來開發(fā)這些技術(shù)，并在內(nèi)部制造所有相應的產(chǎn)品。這使我們能夠達到所需的性能、質(zhì)量和控制水平。”Coherent 高意公司激光部門首席技術(shù)官Norman Hodgson 博士說道。

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

文章來源：Coherent高意激光

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