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本发明提供激光光源装置及采用该装置的激光照射设备，该激光光源装置包括：泵浦光源，发射横向多模光；多个谐振腔镜，限定谐振腔，谐振腔镜的至少一部分将光输出到外部，其输出的光具有多个波长；激光介质，设置在谐振腔中，该激光介质用从泵浦光源发射的横向多模光泵浦；以及波长转换元件，设置在谐振腔中，该波长转换元件用在激光介质上通过振荡获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波的线状光束。

1、  一种激光光源装置，包括：
泵浦光源，发射横向多模光；
多个谐振腔镜，限定谐振腔，该谐振腔镜的至少一部分将光输出到外部，该输出光具有多个波长；
激光介质，设置在该谐振腔中，该激光介质被从该泵浦光源发射的该横向多模光泵浦；以及
波长转换元件，设置在该谐振腔中，该波长转换元件用在该激光介质因振荡而获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波的线状光束。

2、  根据权利要求1所述的激光光源装置，还包括：
折回反射部分，设置在该谐振腔中，
其中该谐振腔镜之一或者该反射部分透射该基波的一部分，并且
其中该基波和该转换波同时输出。

3、  根据权利要求1所述的激光光源装置，其中该基波和该转换波在相同的方向上输出。

4、  根据权利要求1所述的激光光源装置，还包括：
外部反射部分，设置在该谐振腔的外部，
其中沿着谐振光程从该波长转换元件向两侧发射两种转换波，
其中发射的该两个转换波之一取出到该谐振腔的外部，并且由该外部反射部分返回到该波长转换元件，以及
其中由该外部反射部分返回的该一个转换波与由该波长转换元件产生的另一个转换波和该基波一起输出到外部。

5、  根据权利要求1所述的激光光源装置，其中该波长转换元件采用准相位匹配。

6、  根据权利要求1所述的激光光源装置，其中该激光光源装置采用连续波振荡。

7、  根据权利要求1所述的激光光源装置，还包括：
脉冲发生机构，通过脉冲振荡来振荡输出光。

8、  根据权利要求7所述的激光光源装置，其中，作为该脉冲发生机构，显示Q开关作用的Q开关元件或者可饱和吸收体设置在该谐振腔中。

9、  根据权利要求1所述的激光光源装置，还包括：
波长转换元件，在由该谐振腔镜的谐振光程限定的该谐振腔中，该波长转换元件通过用基波的线状光束和转换波的线状光束照射该波长转换元件来输出波长转换波。

10、  根据权利要求9所述的激光光源装置，其中用该基波的线状光束和该转换波的线状光束照射的该波长转换元件输出和频发生的波长转换波。

11、  一种激光照射设备，包括：
激光光源装置，包括
泵浦光源，发射横向多模光，
多个谐振腔镜，限定谐振腔，该谐振腔镜的至少一部分将光输出到该谐振腔的外部，其中该输出光具有多个波长，
激光介质，设置在该谐振腔中，该激光介质被从该泵浦光源发射的该横向多模光泵浦，以及
波长转换元件，设置在该谐振腔中，该波长转换元件用在该激光介质因振荡而获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波的线状光束；以及
工作台，在该工作台上安装要用来自该激光光源装置的激光照射的物体。

12、  根据权利要求11所述的激光照射设备，
其中当该基波部分地透射通过该激光光源装置的该谐振腔镜之一时，该激光光源装置输出基波的线状光束和转换波的线状光束，并且
其中该物体的表面用该基波的线状光束和该转换波的线状光束照射。

13、  根据权利要求11所述的激光照射设备，
其中该激光照射设备在该激光光源装置和安装有该物体的该工作台在从该激光光源装置输出的该线状光束输出光的短轴方向上相对运动时提供对该物体的照射。

14、  根据权利要求11所述的激光照射设备，还包括：
显示Q开关作用的Q开关，
其中该Q开关元件的Q开关作用通过脉冲振荡来振荡输出光。

15、  根据权利要求13所述的激光照射设备，还包括：
波长转换元件，在该激光光源装置的该谐振腔中，该波长转换元件通过用该基波的线状光束和该转换波的线状光束照射该波长转换元件来输出波长转换波。

16、  根据权利要求11所述的激光照射设备，其中该激光光源装置设置在该物体的上方。

17、  根据权利要求11所述的激光照射设备，
其中该激光照射设备包括多个该激光光源装置，并且
其中来自该多个激光光源装置的输出光在该物体的单一区域中彼此重叠，并且该区域同时用该输出光照射。

18、  根据权利要求11所述的激光照射设备，
其中该激光照射设备包括多个该激光光源装置，并且
其中该物体的多个区域分别用来自该多个激光光源装置的输出光照射。

19、  一种激光照射设备，包括：
激光光源装置，包括
泵浦光源，发射横向多模光，
谐振腔镜，限定谐振腔，
激光介质，设置在该谐振腔中，该激光介质被从该泵浦光源发射的该横向多模光泵浦，以及
波长转换元件，设置在该谐振腔中，该波长转换元件用在该激光介质因振荡而获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波的线状光束；以及
工作台，在该工作台上安装要用输出到该谐振腔外部的激光照射的物体。

20、  一种激光光源装置，包括：
泵浦光源，发射横向多模光；
谐振腔镜，限定谐振腔；
激光介质，该激光介质被从该泵浦光源发射的该横向多模光泵浦；
波长转换元件，该波长转换元件用在该激光介质因振荡而获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波的线状光束；以及
脉冲发生机构，通过脉冲振荡来振荡输出光。

激光光源装置及采用该装置的激光照射设备
技术领域
本发明涉及输出横向多模光(transverse-multimode light)的激光光源装置以及采用该激光光源装置的激光照射设备。
背景技术
近年来，激光退火技术已经变得普及，在激光退火技术中用激光照射非晶硅薄膜以将非晶硅薄膜变成多晶硅薄膜。该工艺是包含在诸如对基板改性、加工(打孔、切割、焊接等)或使基板曝光(光刻)的激光工艺中的改性工艺。这种技术用于例如液晶显示装置或者有机电致发光显示装置中应用的薄膜晶体管(TFT)的制造工艺。该技术也用于利用半导体膜的诸如线传感器(line sensor)的光学传感器、诸如高性能薄膜太阳能电池的光伏发电元件或者诸如半导体集成电路(例如，存储器LSI)的半导体器件的制造工艺。特别是，在通过给基板施加激光退火的低温工艺制造由多晶硅或者微晶硅制作的薄膜的情况下，与非晶硅薄膜相比，可以增加电子迁移率，而保证了低温工艺的自由度和基板结构。因此，实现了高速响应。
对于光吸收元件，如太阳能电池，通过采用多晶硅或者微晶硅可以使光的利用效率最大化。例如，太阳能电池构造为具有包括多晶硅薄膜和微晶硅薄膜的串联结构。因此，太阳能电池可以有效吸收具有短波长的太阳光，由此提高整个电池的效率(参见″OYO BUTURI″，a publication of The JapanSociety of Applied Physics，Vol.76，No.6,619,2007)。
另外，当采用激光退火技术时，可在廉价大面积玻璃或者塑料基板上制造微晶或者多晶的晶粒而不需要将基板加热到高温。因此，可以降低成本，并且可以提高性能。
在激光退火设备中，已经采用100W或者更高脉冲光的气体激光器或者受激准分子激光器。同样，研究和开发了基本的高斯光束(fundamentalGaussian beam)的固体激光器和相对小的半导体激光器。然而，为了执行激光退火(ELA)，必须执行定期维护，如经常更换气体、经常置换管子和清洗引出窗。另外，脉冲输出的变化会引起晶粒在退火后变小，并且晶粒直径可能变化。结果，获得的多晶硅膜迁移率变小。这是因为脉冲光强度的变化相对于激光平均输出变化很大，就是说，加工余量相对于平均输出变化很小。同样，硅薄膜对紫外线具有很大的吸收系数，并且因此只有硅薄膜靠近表面的部分吸收紫外线。硅薄膜变为多晶硅，并且硅薄膜靠近玻璃基板的部分变为微晶硅作为芯(参见″The Review of Laser Engineering″，a publication of TheLaser Society of Japan，Vol.34，No.10，693，2006)
相反，当采用固体激光器，更具体地讲，采用二次谐波发生的绿激光器时，不必像气体激光器那样定期维护。硅薄膜对于不同的照射波长具有不同的吸收系数。因此，比紫外线波长更长的绿光到达薄膜更深的位置。从而，晶粒的尺寸变大，并且诸如迁移率的薄膜特性可以得到改善(参见″TheReview of Laser Engineering″，a publication of The Laser Society of Japan，Vol.34，No.10，693，2006)。
此外，提出了这样的构造，其中采用固体激光器，并且除了二次谐波发生外，由激光谐振腔振荡的基波(fundamental wave)部分地透射通过谐振腔。从而，用薄膜具有很小吸收系数的基波加热非晶硅薄膜的较深部分，同时用薄膜具有很大吸收系数的二次谐波在表面上熔化非晶硅薄膜(参见日本未审查专利申请公开No.2003-347237)。
发明内容
日本未审查专利申请公开No.2003-347237中揭示的方法用于固体激光器。固体激光器提供的基本高斯光束必须转换成线状光束，其适合于诸如退火的工艺。然而，激光束的M²值很小，并且相干性(coherency)很高。因此，如果用均化器使这些波束均化，则因干扰带而引起空间强度调制等发生。同样，空间强度调制会随时间而变化，可能的结果是输出噪声。因此，因固体激光器具有高相干性，高斯光束的固体激光器必须采用几乎不产生干扰带的光学系统。因此，光程会变得很长，并且设计自由度会受到限制(参见″TheReview of Laser Engineering″，a publication of The Laser Society of Japan，Vol.，34，No.，10，693，2006)。
同样，当从激光谐振腔引出基波和二次谐波时，因为激光具有高相干性，所以基波和二次谐波之间会呈现相位关系。从而，可能产生空间和时间强度调制噪声。此外，当采用基波和二次谐波时，因为波长转换效率与基波的功率密度成比例，并且波长转换的输出相对于基波输出是非线性的，所以转换效率朝着基波束的中间增加，并且因此光束直径在波长转换后变得小于基波的光束直径。高斯光束的特征在于光束聚集的光束直径随着其波长的减小而变得更小。结果，当高斯光束简单地转换成线状光束时，二次谐波在纵向方向上会变得更小。当用二次谐波照射硅薄膜时，需要复杂的光学设计以在纵向方向上保持工艺均一性。此外，当激光退火应用于大的基板时，只要输出高，就能提高产率，且降低成本。然而，因为即使具有几瓦特输出的二次谐波固体激光器也具有很大的尺寸，难于在基板上的位置设置用于激光退火的光源，并且难于设置彼此平行的多个光源。
根据这样的情况，所希望的是提供紧凑、高效的激光光源装置，以提供稳定和均匀的光束图形和光束强度，并且提供采用该激光光源装置的激光照射设备。
根据本发明的实施例，激光光源装置包括：泵浦光源，发射横向多模光；多个谐振腔镜，限定谐振腔，该谐振腔镜的至少一部分将光输出到外部，其中该输出光具有多个波长；激光介质，设置在该谐振腔中，该激光介质用从该泵浦光源发射的该横向多模光泵浦；以及波长转换元件，设置在该谐振腔中，该波长转换元件用在该激光介质由振荡获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波(converted wave)的线状光束。
同样，根据本发明的另一个实施例，激光照射设备包括激光光源装置和工作台。该激光光源装置包括：泵浦光源，发射横向多模光；多个谐振腔镜，限定谐振腔，该谐振腔镜的至少一部分将光输出到外部，其中该输出光具有多个波长；激光介质，设置在该谐振腔中，该激光介质用从该泵浦光源发射的该横向多模光泵浦；以及波长转换元件，设置在该谐振腔中，该波长转换元件用在该激光介质由振荡获得的基波的横向多模线状光束照射，并且输出转换波的线状光束。该工作台上安装要用输出到该谐振腔外部的激光照射的物体。
如上所述，对于该激光光源装置和该激光照射设备，激光介质用横向多模光泵浦，并且波长转换元件用在激光介质通过振荡获得的基波的横向多模线状光束照射。然后，输出用波长转换元件通过转换获得的转换波的线状光束。特别是，不同波长的光，例如，具有不同波长的基波和转换波或者二次谐波或者三次谐波的光，透射通过谐振腔镜或者谐振腔中折回反射部分之一，并且输出到外部。
对于该构造，所获得的输出光是横向多模光，通过以横向多模光泵浦激光介质而获得。横向多模光具有很低的相干性，并且很少因干扰带而发生空间强度调制。同样，因为横向多模的重叠小，所以通过模式之间和频发生(sumfrequency generation)的非线性耦合显著减少。因此，可以防止或者减少空间强度调制随时间变化和导致输出的噪声。此外，横向多模因低相干性而提供稳定性和均匀性。因此，不必附加光学部件来实现稳定性可均匀性。激光光源装置的构造可以简化且减少尺寸。此外，不必用于减少干扰带的复杂光学系统。因此，可以减少激光照射设备的尺寸。
对于本发明的实施例，可以实现提供稳定和均匀的光束图形和光束强度的紧凑并高效率激光光源装置和采用该激光光源装置的激光照射设备。
附图说明
图1A和1B是简要地示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图2A和2B是简要地示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图3A是示意性地示出根据本发明实施例从激光光源装置输出光示例的光束图形的平面图，而图3B图解了在发射光束时的时间改变的示例；
图4A和4B图解了采用高相干光源并且结合不同波长光时波长的幅度改变；
图5A和5B是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图6是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图7是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图8A和8B是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图9A和9B是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图10是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图11是简要示出根据本发明实施例的激光光源装置的构造图；
图12A至12D是简要示出根据本发明实施例的激光照射设备的构造图；
图13A和13B是简要示出根据本发明实施例的激光照射设备的构造图；
图14A和14B是简要示出根据本发明实施例的激光照射设备的构造图；和
图15A和15B是简要示出根据本发明实施例的激光照射设备的构造图。
具体实施方式
下面，将描述实施本发明的优选实施例。然而，本发明并不限于这些实施例。
[1]第一实施例
图1A、1B、2A和2B简要地图解了根据本发明第一实施例的激光光源装置的构造。该实施例的激光光源装置采用线性横向多模光。光的纵向方向表示Y方向，其短轴方向表示Z方向，光前进的方向表示X方向。图1A和2A是沿着X-Y平面剖取的构造图，而图1B和2B是沿着X-Z平面剖取的构造图。
参考图1A、1B、2A和2B，激光光源装置100包括泵浦光源1，例如激光二极管阵列，输出横向多模泵浦光。准直光学系统2和3以及聚光透镜4设置在泵浦光源1的发射光程上。设置用作谐振腔镜的反射膜5、激光介质6和用于折回谐振光程的反射部分8。波长转换元件10和具有波长选择膜11的谐振腔镜12设置在折回反射部分(reflecting portion for bending)8的反射光程上。由谐振腔镜5、反射部分8和谐振腔镜12形成的光程限定了谐振腔30。
从诸如激光二极管的泵浦光源1发射的横向多模光由准直光学系统2和3以及聚光透镜4成形为适当的光束图形。尽管没有示出，但是如果需要，光通过四分之一波板等沿着波长转换方向指向适当的偏振方向，例如由箭头P1至P3所示。用横向多模光泵浦激光介质6，并且基波的横向多模线状光束在由多个谐振腔镜5和12限定的谐振腔30中振荡。波长转换元件10以基波照射，并且产生诸如二次谐波的转换波L2的线状光束。
在该实施例中，基波的线状光束表示具有水平长椭圆光束图形的基波。例如，光的椭圆光束图形的主、次轴比(纵横比)相对较高，比如约为10或者更大。在沿着横向多模光的纵向方向和图1A和2A所示的泵浦光行进方向的截面中，光束B的截面图形具有横向多模的平滑图形。在沿着横向多模光的短轴方向和图1B和2B所示的泵浦光行进方向的截面中，光束B的截面图形在基本高斯平面中具有基本上圆形形状。
现在，将描述应用于该实施例的激光光源装置100中的激光介质6和波长转换元件10的材料等示例。
激光介质6采用添加有稀土的固体激光材料。例如，可以采用Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄、Yb:YAG或Yb:YVO₄，其中钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)掺杂有Nd离子。
波长转换元件10由非线性光学晶体或者非线性光学元件形成。例如，波长转换元件10用于诸如二次谐波发生(SHG)或者三次谐波发生(THG)的波长转换。作为选择，波长转换元件10用于和频发生(sum frequencygeneration)、光学参数振荡等。波长转换元件10的材料可以是KTiOPO₄、β-BaB₂O₄(BBO)、LiB₃O₅(LBO)、LiTaO₃或LiNbO₃，或者所列材料的同成分组成(congruent composition)、所列材料的化学计量比组成或者添加有诸如MgO或ZnO添加剂的材料。
例如，可以采用这样的晶体材料，如C-LiNbO₃、C-LiTaO₃、S-LiNbO₃、S-LiTaO₃、MgO:C-LiNbO₃、MgO:C-LiTaO₃、ZnO:C-LiNbO₃或ZnO:C-LiTaO₃。作为选择，可以采用这样的晶体材料，如MgO:S-LiNbO₃、MgO:S-LiTaO₃、ZnO:S-LiNbO₃或ZnO:S-LiTaO₃。
仍可作为选择的是，可以采用施加极化处理(poling processing)的晶体元件，如PP-C-LiNbO₃、PP-C-LiTaO₃、PP-S-LiNbO₃(PPSLN)、PP-S-LiTaO₃(PPSLT)、PP-MgO:C-LiNbO₃或PP-MgO:C-LiTaO₃。还可作为选择的是，可以采用这样的晶体元件，如PP-ZnO:C-LiNbO₃、PP-ZnO:C-LiTaO₃、PP-MgO:S-LiNbO₃、PP-MgO:S-LiTaO₃、PP-ZnO:S-LiNbO₃、PP-ZnO:S-LiTaO₃或PP-KTiOPO₄。这里，″C″表示“同成分组成”，″S″表示“化学计量比组成”，并且″PP″表示“周期极化”。
具有周期极化结构的非线性光学晶体比过去的非线性光学晶体具有更大的非线性光学常数。提供了高转换效率，并且通过晶片形成工艺技术的批量生产是可行的，导致降低成本。特别是，当例如通过气相传输平衡(VTE)获得的周期极化的化学计量比钽酸锂(PPSLT)用作具有周期极化结构的非线性光学材料时，与同成分组成相比，改善了光折射抵抗性(photorefractiveresistance)。该材料提供具有长期可靠性和高转换效率的器件。可以稳定地提供几瓦或者更高的高输出光(二次谐波光等)。
当在谐振腔30中设置采用上述非线性光学晶体或非线性光学元件的波长转换元件10时，可以利用封入谐振腔30中的高功率密度的振荡光。从而可以提供高效率的波长转换。当在谐振腔30外部设置非线性光学晶体或非线性光学元件时，为了高效率转换必须执行脉冲振荡。相反，当在谐振腔30中设置非线性光学晶体或非线性光学元件时，甚至对于连续波振荡，也可以得到高效率转换。
在图1A、1B、2A和2B所示的示例中，在限定谐振腔30的谐振腔镜5和12之间设置反射部分8，例如，该反射部分8是折回光程的凹面镜。因为采用折回谐振光程的结构，所以激光光源装置100可以减小尺寸。
同样，基波的横向多模线状光束的纵向方向设置为基本上与设置在谐振腔30中的反射部分8的入射面垂直，也就是由包括入射光束和反射光束的折回光程限定的平面。
在采用例如横向多模基波线状光束的激光光源装置中，在为了减小尺寸将反射部分8设置在谐振腔30中的情况下，设置基波的纵向方向为沿着反射部分8的入射面会降低关于线状光束的纵向方向的空间对称性。由此，难于改善输出光的均匀性和稳定性。
相反，设置基波的纵向方向到基本上垂直于反射部分8的折回光程的平面可以保持关于基波的纵向方向空间对称性。从而波长转换元件10转换的转换波可以关于纵向方向空间对称。可以防止输出光不对称和不均匀，导致输出光的对称化和均匀化。
在图1A、1B、2A和2B所示具有上述结构的激光光源装置100中，可以给谐振腔镜5或12或者折回反射部分8施加波长选择膜等，以实现对转换的波的高透射率。从而，转换的波如箭头L2所示输出到外部。转换的波是横向多模光，为低相干性的光束。采用积分仪光学系统(未示出)，该光束可以易于转换为具有礼帽外形的光束，即在纵向方向上具有基本上均匀强度分布的光束。转换的波用作退火光源，由此执行在强度上减少空间和时间变化的退火。例如，当转换的波用于薄膜晶体管(TFT)的多晶硅或者微晶硅工艺时，如果光束内的激光束强度均匀，则Si基板的晶粒尺寸变化可以减少。因此，可以提供高迁移率的TFT。
因为激光光源装置获得的输出光是横向多模光，所以减少了横向模式之间的模式外形的重叠的减少可以防止内部谐振波长转换装置中模间非线性耦合(inter-mode nonlinear coupling)引起的模式竞争的典型问题。因此，不必通过诸如增加谐振腔的长度或者采用诸如四分之一波板或者双折射滤光器的波长选择元件的其它方法来解决模式竞争。因此，可以提供具有减少噪声和稳定输出的激光光源装置而不增加尺寸或者复杂化。
在该实施例的激光光源装置100中，谐振腔镜12可以优选构造为具有减少的反射率，以例如在0.5％至1％范围内的透射率略微透射基波。对于该反射率的设定，在谐振腔30中振荡的高功率的部分引出到谐振腔30的外部。从而，除了转换的波外，基波如箭头L1所示输出到外部，并且它用作例如上述退火的光源。谐振腔30中的基波功率典型地高于转换波几个量级的幅度。取出部分基波功率引起的谐振腔的损失非常小。尽管输出减少了一定量，但是转换波仍可以有效地取出。因此，如果为基波设定适当的透射率，可以以适当的比例取出基波和转换波。
在图1A和1B所示的示例中，由凹面镜形成的折回反射部分8对于转换波是高透射性的，并且对基波是高反射性的，以通过反射部分8将从波长转换元件10发出转换波输出到外部。相反，靠近波长转换元件10设置的谐振腔镜12的波长选择膜11对转化波是高反射性的，并且部分透射基波，以在与转换波方向相反的方向输出基波。对于这样的构造，在不同的方向上可以取出两种波长的光。
相反，在图2A和2B所示的示例中，不同波长的光，在此情况下是基波和转换波，在相同的方向上输出。参考图2A和2B，从泵浦光源1入射光的谐振腔镜5和折回反射部分8对于基波是高反射性的。靠近波长转换元件10的谐振腔镜12，特别是波长选择膜11，对于转换波是高透射性的，并且部分透射基波。在此情况下，两种不同波长的光可以由谐振腔镜12在箭头L1和L2所示的方向取出。
当采用诸如周期极化的非临界相位匹配(noncritical phase matching)或者准相位匹配(quasi phase matching)的波长转换晶体时，基波和转换波具有相同的能量传播方向。换言之，当采用使用双折射的典型临界相位匹配的波长转换元件时，基波和转换波因走离效应(effect of walk-off)而具有不同的能量传播方向。相反，当采用准相位匹配的波长转换晶体时，纠正基波和转换波的光学轴之间的偏移的光学系统不必提供。两种波长的光可以同轴使用。当两种波长用作激光退火光源时，因为方便了光学系统的设计，所以这对市场是有利的。当采用具有较大晶体长度的波长转换晶体时，可以获得较高的转换效率。
参考图2A和2B所示的示例，当在相同的方向上输出基波和转换波时，可以获得下面的优点。当在相同的方向上输出这样具有不同波长的光时，该光在波长转换的上游和下游位置上可以具有不同的光束直径。因此，在短轴方向上聚集的基波和转换波彼此重叠的光束的平面形状具有这样的图案，转换波的光束B2设置在基波的光束B1的短轴方向的中间部分，如图3A所示。在图3A中，基波和转换波的光束图形图示为接近矩形的图形。该图形可以由诸如关于长轴方向的积分仪(integrator)的光学系统易于提供。
更具体地讲，波长转换效率典型地与基波的功率密度成比例。在基波为高斯模式的线状光束的短轴方向上，转换效率在基波光束的中间最高。转换效率沿着高斯图形朝着光束的周边减小。因此，光束直径可以变得在转换波的光束短轴方向上减少。此外，受衍射限制的光束直径可以根据波长变化。具有长波长的光和具有短波长的光具有不同的光束图形。长波长光的光束图形包含短波长光的光束图形。在该实施例中，横向多模波转换施加在长轴方向上。基波的光束图形是平滑的图形，其接近于礼帽(top-hat)图形，而不是高斯图形。转换效率的分布也呈现为接近礼帽形状的平滑图形。
而且，基波的衰减具有接近于礼帽图形的形状，同样导致诸如二次波的转化波的光束图形接近于与基波等尺寸的礼帽形状。如上所述，采用横向多模的基波和转换波的长轴光束直径彼此没有显著不同，并且基本上可以具有基波和转换波的均一图形。因此，光束图案变为如图3A所示的示例。
基波和转换波结合的光束在如箭头m所示的短轴方向上相对于位置P移动。此时，参考图3B，当水平轴表示位置P上的时间时，偏移会呈现在基波的强度变化I_B1和转换波的强度变化I_B2之间。就是说，通过结合基波和转换波，并且在短轴方向上移动聚焦的直线横向多模光束，尽管基波和转换波的照射同时执行，但是基波和转换波可以以时间延迟照射而在位置P发出。
如上所述，对于该实施例的激光光源装置，结合基波和转换波的线状光束在垂直于直线方向(纵向方向)的方向上扫描作为照射目标的基板。因此，可以提供诸如均匀激光退火的工艺。同样，因为基波短轴方向上的光束直径大于转换波的短轴方向上的光束直径，所以诸如Si基板的基板可以预加热或者缓慢冷却。通过利用该实施例的激光光源装置的低相干性，即使在由诸如复眼透镜(fly-eye lens)的积分仪提供均匀礼帽形状后，也可以获得这样的优点。
对于该实施例，尽管执行同时照射而没有用于光程差异的复杂光学系统，不同波长的光照射的时间可以彼此错开来执行延时照射。在该实施例的激光光源装置中，不同波长的光可以通过适当选择输出光的波长和选择输出光相对于诸如半导体基板的基板的移动方向而易于以所希望的时间差发射。
同样，在该实施例的激光光源装置中，因为采用直线横向多模光束，所以可以实现低相干性。即使在多个基波和多个转换波同轴传播时，相干性也几乎不发生在基波中和转换波中，并且相干性几乎不发生在基波和转换波之间。此外，相位关系几乎不产生，强度变化噪声或者光束图形变化几乎不出现。
在高相干性光的情况下，当结合不同波长的光时，产生如图4A和4B所示的周期结构和周期破坏。图4A图解了相位在某些点上对准的示例。图4B图解了相位没有对准的示例。在这些示例中，最大振幅出现在图4B中。
当结合高相干性光时，如果一个波长是另一个波长的两倍(一半)，如激波和二次谐波之间的关系，则周期强度变化的图案会不因相干性而是因相位关系而呈现。如果不同波长的光用于不同作用的工艺，则周期强度变化的图案不是重要问题。然而，如果期待协同作用效果，则周期强度变化会影响工艺。例如，关于在薄膜晶体管的Si晶化工艺中应用于退火等，周期强度变化的图案可以引起晶粒变化。
相反，在该实施例中，因为结合了用横向多模光泵浦的横向多模基波和转换的波，所以因两个波长之间的相位关系引起的变化可以显著减小。就是说，在该实施例的激光光源装置中，通过采用横向多模光，由于低相干性的作用，通过利用积分仪光学系统等可以易于获得具有均匀礼帽光束图形的两个波长的光。遗憾的是，在过去由两波长的激光器不能获得具有均匀礼帽光束图形的两个波长的光，也就是，因为两波长激光器具有高相干性，所以在两波长激光器中，结合并输出由单模光源通过波长转换工艺获得的基波和谐波。
在图1A和1B所示的示例中，诸如从波长转换元件10沿着谐振光程发射到两侧的二次谐波的转换波之一被折回。就是说，在图1A和1B所示的示例中，转换波由谐振腔镜12反射，结合两个转换波，并且结合的波输出到外部。通过折回和输出而输出到两侧的转换波之一，可以提高光利用效率。
此时，如果在相干长度内结合转换波，则会由相干性改变光束图形并增加噪声。在此情况下，转换波之一会取出到谐振腔的外部，该取出的波会通过诸如设置在外部的凹面镜的反射部分，也就是通过外部反射部分，传播时间相干长度(temporal coherence length)的距离或者更大，然后该波会返回到谐振腔的内部。一个转换波传播时间相干长度或者更大，然后其它转换波与该一个转换波重叠，再然后该些转换波在相同的方向上取出。因此，可以防止光束图形因相干性而改变，并且可以减少噪声。同样，在图2A和2B中，通过高透射率的反射部分8损耗的转换波(稍后描述)可以再利用。
图5A和5B是简要示出提供外部反射部分的实施例的构造图。与图1A和1B所示的示例相类似，基波和转换波在不同方向上输出。参考图5A和5B，相同的附图标记指代与图1A和1B相对应的部件，并省略冗余的描述。在图5A和5B中，靠近波长转换元件10的谐振腔镜12对于转换波不是高反射性的而是高透射性的。例如，由凹面镜形成并且设置在谐振腔外部的外部反射部分13设置在激光光源装置100中时间相干长度或者更大的距离处。外部反射部分13对于基波是高透射性的，并且对转换波是高反射性的。对于该结构，转换波可以与波长转换元件10中产生的朝着折回反射部分8的转换波相结合。因为凹面镜用于外部反射部分13，所以两个转换波可以具有类似的光束图形和束腰位置。
图6与图2A和2B相类似示出了在相同的方向上输出基波和转换波的情况。参考图6，相同的附图标记指代图2B中相对应的部件，并且省略冗余的描述。如图6所示，在该示例中，折回反射部分8是凹面镜，对于转换波是高透射性。外部反射部分18是凹面镜，设置在反射部分8的外部，并且对于转换波是高反射性的。在此情况下，从波长转换元件10朝着反射部分8发射的转换波取出到谐振腔30的外部，由外部反射部分18反射，返回到谐振腔30之内，并且再一次入射在波长转换元件10上。然后，返回的转换波与在相反方向上即向着谐振腔反射镜12从波长转换元件10发射的转换波结合。结合的波以与基波的方向相同的方向从谐振腔镜12输出到外部。
如图6所示，外部反射部分18可以是凹面镜等，其设置在谐振腔30的外部，并且对于转换波是高反射性的。作为选择，如图7所示，反射部分28可以设置在谐振腔30中，使得反射部分28的后表面为凸起的，并且对转换波为高反射的。
为了进一步有效减少相干性，转换波的两个光束可以以空间略微偏移的方式结合。特别是，通过从光学轴移动诸如凹面镜的外部反射部分，该些波可以在彼此移动空间相干长度或者更大后结合。外部反射部分可以是两个平面镜或者棱镜。
为了可靠减少谐波的相干性且获得稳定输出所必需的空间移动可以典型地根据激光的纵向和横向模式的数目、激光的特性和转换波的应用(也就是要应用到的光学设备的类型)而变化。概括地讲，该光束移动可以是通过减少干涉带的可见性(干涉带的对比度)到约1/e²而获得的值，该干涉带通过彼此移动光轴而产生，并且相对于两个转换波束的光轴结合为彼此相干的条件而被彼此重叠。就是说，该移动可以至少为空间相干长度。
对于上述构造，由波长转换元件产生的两个方向上的转换波和基波的三个光束通过简单设计可以由设置在谐振腔外部的单个镜高效率且基本同轴地取出。
该实施例中基波和转换波的波长由激光晶体及其泵浦波长以及与波长转换相关的非线性光学工艺确定。例如，当激光晶体为Nd:YVO₄晶体，并且泵浦波长约为808nm时，基波的波长约为1064nm。在此情况下，当非线性光学工艺选择二次谐波发生时，转换波的波长约为532nm。这比几瓦或者更高的现有半导体激光器输出提供的波长更短。
典型地，物体的吸收随着波长朝着吸收边变短而增加。这也适用于材料的吸收系数，例如作为诸如激光退火工艺目标的非晶硅。因此，因为532nm波长短于现有的高输出半导体激光的波长，所以转换波被大量吸收。因此，那部分非晶硅的温度有效地增加。转换波比波长1064nm的基波加热Si更加有效。然而相反的是，1064nm波长的吸收系数很小，基波穿入晶体的深度方向。就是说，基板以与转换波的情况相比较大的深度被缓慢加热，可以防止由转换波的吸收产生的热量消散。
在一维横向多模的短轴方向上，基波的光束直径较大。因此，用波长为532nm的光照射并且温度升高的位置的前侧和背侧的区域和深度方向的区域用波长1064nm的光缓慢加热。除了预加热和缓慢冷却作用外，可以实现防止吸收产生的热消散的优点。因此，可以实现有效且高效的激光退火工艺。同样，可以实现激光退火工艺的均匀性和产率增加。此外，可以防止因热膨胀的差异引起的变形。
应当注意的是，激光晶体、波长转换晶体、谐振腔构造(谐振腔镜的数量、它们的设置和它们的曲率半径)不限于上面实施例中的描述和附图所示。只要采用适当的材料和构造，就可以提供短波和长波结合的激光光源。
在该实施例中，以激光谐振腔的振荡可以是连续波振荡。对于该构造，可以避免采用脉冲振荡的受激准分子激光器所产生的脉冲中能量的变化，并且可以获得具有高时间均匀性的光束。当采用受激准分子激光器时，为了避免因能量变化引起的工艺变化，设定脉冲重复率以均等化。重复率限制扫描速度。然而，对于该实施例，不必限制，并且可以如愿地选择扫描速度。同样，因为激光具有很小的输出变化，所以可以通过增加平均晶粒直径来增加比如迁移率的特性，并且特性的变化可以通过减少晶粒直径的变化而减少。
[2]第二实施例
接下来，将描述根据本发明第二实施例的激光光源装置。图8A和8B是简要示出根据第二实施例的激光光源装置的构造图。
在该实施例中，诸如Q开关元件或可饱和吸收体(saturable absorber)的脉冲发生机构设置在第一实施例的激光光源装置中。作为选择，在该实施例中，直接调制给诸如激光二极管的泵浦光源施加的电流。对于该构造，来自谐振腔的基波和转换波取出为激光振荡光。在图8A和8B中，相同的附图标记指代与图1A和1B对应的部件，并且省略冗余的描述。图8A和8B示出了这样的示例，其中由Q开关元件或者如Cr:YAG的透射可饱和吸收体形成的脉冲发生机构20设置在谐振腔30中的激光介质6和反射部分8之间。关于脉冲发生机构，由半导体制作的可饱和吸收体可以粘合到反射部分8或谐振腔镜12的反射面等的任何一个。
波长转换效率随着基波的功率密度变高而变高。例如，在基波衰减可忽略的低转换效率区域中，效率与基波的功率密度成比例地增加。因此，靠近脉冲光峰值位置的转换效率非常高。特别是在激光退火作为目标工艺的激光工艺变为以峰值功率密度高响应而不是平均功率密度时，采用脉冲光良好地进行激光退火。在此情况下，在材料相同位置上的脉冲照射次数可以根据工艺的功率密度均匀性而增加和平均。
在该实施例中，当仅有转换波输出到外部且波长选择膜11对基波为高反射性时，可以获得下面的优点。因为可以获得横向多模的低相干性的转换波，所以提供的激光光源装置能够易于提供礼帽图形的稳定光束。因为采用横向多模振荡，所以通过少量的部件提供稳定性。因此，可以制造紧凑的激光光源装置。对于减少部件的数量，谐振腔的损耗变小，并且因此可以提供高效率激光光源装置。
图8A和8B示出了附加波长转换元件9设置在谐振腔30中的示例。波长转换元件9用基波和转换波照射时产生转换波，如三次谐波。在该实施例中，以泵浦光从激光介质6发射的光在谐振腔30中振荡而产生的基波，以及以基波照射波长转换元件10而产生的诸如二次谐波的转换波都基于脉冲振荡，由此具有高峰值功率密度。因此，通过附加设置适当设计的波长转换元件9，可以高效率产生诸如三次谐波(和频)的转换波。
例如，当谐振腔中的谐振波长(初始基波)为1064nm时，谐振腔30中产生的二次谐波的波长为532nm。因此，三次谐波相对于初始基波的波长，也就是谐振腔30中产生的初始基波和二次谐波的和频波长变为355nm。例如，激光介质6采用Nd:YAG或Nd:YVO₄，二次谐波发生等的初始转换的波长转换元件10采用MgO-PPSLN或MgO-PPSLT，并且用于产生三次谐波等的波长转换元件9采用LBO或BBO。对于该构造，可以获得三次谐波，三次谐波为基波和初始二次谐波发生的转换波的和频。波长选择膜11是对三次谐波高透射性的。在此情况下，可以实现用于激光退火等具有较短波的光源。例如，可以以对应于TFT基板的硅材料的较大吸收系数的波长有效地执行晶化。
此时，用于三次谐波发生的波长转换元件9和用于二次谐波发生的波长转换元件10可以从靠近谐振腔镜12的位置开始依次设置。对于该构造，所产生的二次谐波与行进在相同方向上的谐振腔30中的基波结合，并且因此而产生三次谐波。所产生的三次谐波没有入射在用于二次谐波产生的波长转换元件10上。因此，用于二次谐波发生的波长转换元件10可以吸收一定量的三次谐波。就是说，波长转换元件10的材料可以相对如愿地选择。另外，波长转换元件10的波长选择膜的设置可以简化。尽管没有示出，但是朝着反射部分8产生的二次谐波由设置在外部的外部反射部分反射，以反射该二次谐波，如参考图6和7所描述。二次谐波可以与朝着谐振腔镜12产生的二次谐波结合，可以入射在用于三次谐波发生的波长转换元件9上，并且可以结合。同样，波长转换元件9和10的位置可以颠倒，谐振腔镜的透射率和反射率可以适当选择，并且二次谐波和三次谐波可以从反射部分8输出。
如上所述，在该实施例中，可以通过选择谐振腔中模直径的设计、波长转换晶体长度、晶体插入位置、脉冲条件和波长选择膜11的基波的透射率以适当的功率比输出基波、二次谐波和三次谐波。当该构造应用于第一实施例中所描述的TFT制造工艺中时，可以提供基板的预加热和缓慢冷却作用，并且与仅采用基波和二次谐波或者仅采用基波和三次谐波的情况相比，通过在基板的深度方向上缓慢加热所产生的热量可以防止热量消散。从红外线区域、可见光区域到紫外线区域，非晶硅对波长的吸收迅速增加。因此，当二次和三次谐波的波长选择为532nm和355nm时，预加热和缓慢冷变得更加有效。换言之，因为该工艺采用至少两个波长，所以在该构造应用于激光退火工艺时，晶粒的均匀化可变得更加有效。结果，可以提高作为目标的TFT的特性。在采用多个波长时，通过适当选择照射光的波长和波长间的光量比，该工艺可以根据基板材料的预期初始状态和预期形式进行优化。
该实施例中的波长转换元件涉及上述中二次谐波发生和三次谐波发生的不同元件。然而，该些元件可以是相同的波长转换元件。当采用准相位匹配的波长转换元件由单晶体形成时，可以为对准相位匹配提供两个或者更多类型的极化周期，由此用单一元件提供两个波长转换工艺。例如，周期极化结构的节距(pitch)可以设定为对应于波长转换元件10的靠近反射部分8的前半部分中用于二次谐波发生的准相位匹配，并且周期极化结构的节距可以设定为对应于与前半部分相反的后半部分中用于三次谐波发生的和频发生的准相位匹配。对于该构造，可以减少部件数量，并且可以减少光学调整所必须的时间。
图8A和8B示出了在谐振腔30中设置用于三次谐波发生的波长转换元件的示例。作为选择，参考图9A和9B，用于三次谐波发生的波长转换元15可以设置在谐振腔30的外部。在该实施例中，采用参考图1A和1B描述的第一实施例的构造，以产生基波和二次谐波，并且诸如Q开关或者透射性可饱和吸收体的脉冲发生机构20设置在谐振腔30中。脉冲发生机构20执行脉冲振荡。因此，通过脉冲振荡提高了峰值功率密度，所发射的基波和谐波被取出到谐振腔30的外部，该波通过聚光透镜14入射在用于三次谐波发生的波长转换元件15上。对于该构造，即使在单程和频发生的情况下，以脉冲峰值功率的高转换系数可以提供相对高效率的转换。
参考图10，修改方案可以具有与图8A和8B所示示例相类似的构造，其中产生二次和三次谐波。然而，仅基波可以在不同的方向上被谐振腔镜12反射。在图10中，相同的附图标记指代与图8B相对应的相同部件，并且省略冗余的描述。在此情况下，谐振腔镜12反射的基波入射在由反射性Q开关元件或可饱和吸收体形成的脉冲发生机构21上，并且再一次反射到谐振腔镜12。在此情况下，只有两种类型的二次和三次谐波的转换波可以取出到外部。
此外，由反射性Q开关或可饱和吸收体形成的脉冲发生机构21可以设置在如图8A和8B所示的反射部分8的位置上，以反射基波。波长转换元件10和波长转换元件9可以设置在脉冲发生机构21的下游，从而基波入射在谐振腔镜12上。在此情况下，基波以及二次和三次谐波的两种类型的转换波可以输出在与初始泵浦光行进方向基本上平行的方向上，如箭头L1至L3所示。参考图11，脉冲发生机构21可以设置在图8A和8B中的谐振腔镜12的位置上以反射基波，波长转换元件10和波长转换元件9可以设置在脉冲发生机构21的下游，并且基波可以入射在谐振腔镜12上。在图11中，相同的附图标记指代与图8B相对应的相同部件，并且省略冗余的描述。
对于图8A至11所示的实施例，为了三次谐波的产生，基波和二次谐波可以同轴地入射在波长转换元件上。该实施例适合于和频发生。参考图9A和9B中的示例，在光束入射在用于三次谐波产生的波长转换元件上之前，当光束适当成型和聚光时，可以提供充分的波长转换效率。在此情况下，功率密度可以调整到波长转换元件的表面上或者波长转换元件中不造成损害的值。
此外，用于四次谐波发生的波长转换元件可以用于取代设置在谐振腔30内部或者外部的用于三次谐波发生的波长转换元件。在此情况下，谐振腔30中产生的二次谐波的线状光束再利用为基波，并且该再利用基波的二次谐波提供用于初始基波的四次谐波。例如，当谐振腔中的谐振波长(初始基波)为1064nm，谐振腔中产生的二次谐波的波长为532nm。因此，相对于初始基波的四次谐波的波长，即用于谐振腔30中产生的二次谐波的二次谐波的波长变为266nm。
在该实施例中，尽管两步波长转换采用脉冲振荡，但是当然可以采用连续波振荡，只要获得必要的转换效率。
[3]第三实施例
接下来，将参考图12A至15B描述根据本发明第三实施例的激光照射设备。在每个示例中，可以采用第一和第二实施例的任何一个中描述的激光光源装置。该示例可以应用于薄膜晶体管(TFT)的非晶硅的激光退火工艺等。通过用来自激光光源装置的转换光或者包括转换光和基波光的直线激光束在短轴方向上执行扫描，可以在上述的退火工艺中提供如同缓慢冷却过程一样的所希望的温度改变过程。就是说，通过采用激光照射设备作为激光工艺设备，可以保持TFT的均匀性，并且可以改善TFT的性能。
图12A至12D是简要示出根据该实施例的激光照射设备200的构造图。在每个示例中，采用激光光源装置100。要用激光照射的物体50(照射目标)设置在工作台60上，并且激光光源装置100设置在物体50的上方。光学系统104可以选择性设置在激光光源装置100和物体50之间。光学系统104通过球面或者非球面透镜、柱面透镜、如果需要包括积分仪或者这些部件的组合来适当执行光束成形。
图12A和12B示出了这样的示例，其中在激光光源装置100上设置移动机构(未示出)，从而激光光源装置100移动在箭头M1所示的方向上，而在工作台60上固定作为照射目标的物体50。图12C和12D示出了这样的示例，其中在工作台60上设置移动机构(未示出)，从而工作台60移动在箭头M2所示的方向上。图12A和12C是沿着线状光束B的短轴方向的平面图。图12B和12D是沿着该线状光束的纵向方向的平面图。图12A至12D示出了采用基板51的示例，该基板51具有形成在其表面上的诸如非晶硅的薄膜52。
当设置这样的相对运动机构时，激光光源装置100可以仅在激光照射工艺期间设置在工作台60的上方；否则，激光光源装置100可以从工作台60上方的位置缩回。不执行照射时的设置可以是任何设置，只要保证诸如基板的物体50在工作台60上取放或者维修的可使用性。
对于该实施例，线状光束具有低相干性，并且通过诸如复眼透镜的积分仪可以易于实现均匀的礼帽图形。通过用激光在短轴方向上执行扫描，可以对物体50的表面施加均匀的激光退火。结果，例如，当该实施例应用于非晶硅的多晶或者微晶工艺时，可以提供在晶粒的尺寸上减少变化并且具有高迁移率的TFT。
同样，该实施例的激光照射设备是紧凑的和高效率的。因此，参考图12A至12D，激光光源可以易于设置在作为照射目标的物体50的上方。因此，参考图12A和12B，可以执行退火而同时移动移动激光光源装置100，由此增加设备设计的自由度。当激光照射应用于很大基板时，如果提供很大基板的运动机构，则虽然必须提供精密的运动机构，但是该设备会增大尺寸。对于该实施例，激光光源装置可以减小尺寸，并且因此该激光光源装置可以提供有用于扫描的运动机构。因此，可以防止整个设备的尺寸增加。
此外，因为该实施例的激光光源装置是紧凑的和高效率的，所以可以采用多个光源装置，并且可以易于设置为彼此平行。在该激光照射设备中，激光光源装置可以设置为在诸如要加工、改性和/或曝光的半导体物体的物体上方的位置上彼此平行。图13A和13B是简要示出激光照射设备200的构造图，其中采用两个激光光源装置101和102，并且通过偏振分束器103结合激光。在图13A和13B中相同的附图标记指代与图12A至12D相对应的部件，并且省略冗余的描述。当由偏振分束器103结合激光时，可以通过半波板(未示出)将激光光源装置的偏振旋转90度，从而激光的偏振垂直于其它激光光源装置的激光的偏振。
同样，参考图14A、14B、15A和15B，激光照射设备200可以包括在线状光束长轴方向上彼此平行设置的激光光源装置100a至100c。激光光源装置100a至100c根据它们的目的可以具有相同的构造或者不同的构造。就是说，以两个或者多个不同波长输出光的激光光源装置可以结合使用。在图14A、14B、15A和15B中，相同的附图标记指代与图12A至12D相对应的部件，并且省略冗余的描述。当激光照射设备设置为彼此平行时，该设备可以设置在如图14A和14B所示的纵向方向上，或者如图15A和15B所示的短轴方向上。图15A和15B示出了这样的示例，其中激光的一部分可以与诸如透镜阵列的光学系统105偏心地设置。照射角度可以适当选择，并且激光束可以在物体50上彼此重叠。在激光束重叠的情形下，可以提高扫描速度。因此，提高了工艺产率，即生产节拍时间(tact time)以类似的方式相对于激光束不重叠的情形减少。同样，当激光束彼此重叠时，可以提高功率密度。通过在照射位置上的激光束吸收可以加速温升，由此通过改善工艺而提高特性。
如上所述，该实施例用诸如固体激光器而不是气体激光器的泵浦光源提供采用内部谐振腔波长转换的激光光源装置。因此，通过利用激光光源装置作为诸如激光退火的激光照射设备的光源，相对于受激准分子激光光源提高了光源寿命，不需要更换气体的维修，并且运行稳定。
该实施例的激光照射设备的应用技术不限于退火工艺，而是可以是用激光的热、电或化学改性、加工或者曝光材料的工艺。例如，如果采用连续波振荡，则除了退火外，该构造可以应用于塑料加工(例如，切割)、半导体工艺中的光刻曝光或者读和写全息图。如果采用脉冲振荡，则该构造除了退火外还可以根据脉冲宽度和重复频率应用于各种加工(冲孔、切割、微加工、研磨加工等)。所谓激光光刻的工艺也可以采用该构造用其光束顶端的热量。要用激光束照射的物体可以是各种材料，如金属、晶体和树脂。
同样，在该激光照射设备中，当激光光源装置的输出光仅为转换波时，因为采用具有低相干性的稳定横向多模光，所以得到的激光照射没有因相干性引起的噪声，具有均匀的图形，并且具有稳定性和高效率。例如，当该激光照射设备应用于激光退火而制造硅薄膜晶体管或者诸如太阳能电池或者LSI的其它半导体薄膜元件时，可以利用进入目标材料的转换波的波长最大吸收，多晶硅的尺寸可以是均匀的，并且可以减少迁移率的变化。当该技术应用于改性、加工、曝光材料的工艺时，可以实现具有高效率的稳定的激光照射。
如上所述，在该实施例的激光光源装置中，波长转换元件设置在横向多模振荡的固体激光谐振腔中，并且激光介质用横向多模光泵浦，由此振荡基波的线状光束。波长转换元件用基波的线状光束照射，由此输出转换波的横向多模的线状光束。结果，可以获得下面的优点。
1、因为可以获得具有低相干性的横向多模转换波，所以可以实现能易于提供具有礼帽图形的稳定光束的激光光源装置。
2、因为即使以小数量的部件也可以通过横向多模振荡获得稳定性，所以可以生产紧凑的激光光源装置。同样，因为部件的数量小，所以可以实现在谐振腔中具有小损耗的高效率激光光源装置。
同样，通过使得谐振腔镜之一透射基波的一部分，基波的线状光束和转换波的线状光束可以同时输出。结果，可以获得下面的优点。
3、因为可以同时获得具有低相干性的横向多模基波和转换波的两个波长，所以可以实现能易于提供具有礼帽图形的稳定光束的激光光源装置，而在两个波长之间没有相干性。
此外，基波和转换波可以从相同的谐振腔镜输出。结果可以获得下面的优点。
4、可以实现这样的激光光源装置，其能够同轴采用基波和转换波，而没有用于对准基波和转换波的传播光程的附加光学系统。
同样，因为从相同的谐振腔镜发射的基波和转换波是通过内部谐振腔波长转换获得直线横向多模光束，所以可以获得下面的优点。
5、可以实现这样的激光光源装置，其提供的基波在聚光位置上具有在光束的长轴方向上光束直径基本上均匀且在短轴方向上光束直径大于转换波的光束尺寸。
同样，沿着谐振光程从波长转换元件产生的转换波之一被取出到谐振腔的外部，由折回的反射部分返回到波长转换元件，并且与其它转换波一起输出。结果，可以获得下面的优点。
6、取出由波长转换元件产生的高效率转换波，而抑制相对于基波或者由波长转换元件在相反方向上产生的转换波的相干性或者相位关系。因此，可以利用高效率转换波，而没有由波长转换元件产生到两侧的转换波之间或者基波和转换波的两个波长之间的相干性或者相位关系。
同样，因为波长转换元件的相位匹配条件是非临界相位匹配或者准相位匹配，所以即使在增加波长转换元件的晶体长度时，也可以实现具有图形对称光束而没有基波和转换播的传播方向之间的偏移的激光光源装置。结果可以获得下面的优点。
7、高效率激光光源装置通过具有长晶体长度的波长转换元件实现。因为采用传播方向彼此不偏移的基波和转换波，所以可以同轴利用基波和转换波，而没有用于纠正传播方向之间的偏移的光学系统。此外，对于高度图形对称特性的光束，可以实现输出具有高度均匀性的基波和转换波的激光光源装置。
此外，通过适当选择激光介质、波长转换元件和转换工艺，可以选择基波和转换波的波长。结果，可以获得下面的优点。
8、可以提供用于波长转换的激光光源装置，以获得范围为250到550nm的波长的转换波。
同样，该激光光源装置可以利用连续波振荡。结果，可以获得下面的优点。
9、可以获得输出没有变化的激光光源装置。
此外，通过在谐振光程上设置Q开关元件，可以执行脉冲振荡。结果可以获得下面的优点。
10、与具有高峰值功率的受激准分子激光器相比，可以实现输出多个波长光且提供稳定运行而不用维护的激光光源装置。
同样，在谐振光程上可以设置波长转换元件，该波长转换元件由基波和通过用基波照射波长转换元件获得的转换波产生和频。结果，可以获得下面的优点。
11、可以实现这样的激光光源装置，其输出具有诸如三次谐波的较短波长的波长转换波。此外，可以实现这样的激光光源装置，其输出基波和除了短波长光外的转换波。
因为该激光光源装置具有上述特征，所以在该装置应用于激光照射设备时，可以获得下面的优点。
1、因为采用具有低相干性的稳定横向多模光，所以可以实现稳定、高效率的激光光源装置，所提供的光没有因相干性而引起的噪声，且具有均匀的图形。因此，例如，当该激光光源装置应用于制造硅薄膜晶体管或者诸如太阳能电池或者LSI的其它半导体薄膜元件的激光退火时，照射的光束强度不变化，并且变得稳定。结果，可以改善多晶硅的尺寸均匀性，通过减少晶粒边界可以减少迁移率的变化，并且可以降低泄漏电流。同样，对于横向多模波长转换，变化的减少可以反映到采用短波光的激光照射设备。目标物体大大吸收短波长的光。因此，可以减少变化而提高迁移率。就是说，可以改善特性，并且可以提高产率。
特别是，具有基波和转换波的两个或者三个波长的激光可以同时发射。可以提供稳定、高效率激光退火的激光照射设备，其利用对短波长光的大吸收性，并且没有因相干性或者相位关系引起的噪声。该构造可以应用于硅太阳能电池的制造设备的光源、LSI半导体薄膜的制造设备的光源、表面改性工艺的光源、曝光光源或者加工光源等。通过采用该激光照射设备用于各种材料的表面加工，可以改善特性。
2、因为该激光光源装置的效率高，所以该激光光源装置可以用作激光加工光源装置，如激光退火设备。因此，可以减少退火工艺的生产节拍时间，并且可以提高产率。
3、该激光光源装置可以用作激光退火设备的紧凑光源，并且可以提供在硅晶体管基板(退火目标)的上方。作为选择，对于大面积硅晶体管基板，多个激光光源装置可以设置为彼此平行。同样，可以通过移动激光光源装置执行激光退火，由此便于大面积硅晶体管的退火。此外，通过对大面积晶体管采用多个光源，可以减少生产节拍时间，而提高产率，且改善特性。
4、当该激光光源装置用作激光退火设备的光源时，不需要用于纠正基波和转换波的光学轴的照明光学系统。该设备可以减小尺寸，可以降低成本，并且可以提高诸如光学轴长度的光学系统的设置自由度。
5、由目标材料(例如，Si)大量吸收的转换波长选自基波或者二次谐波或者三次谐波的转换波，或者以适当的比率从转换波取出，并且用于激光退火的光源。因此，可以高效率执行退火。对于具有高效率和低相干性的紧凑激光退火设备，可以提高退火工艺的特性，可以减少生产节拍时间，并且可以提高产率。
6、采用目标材料(例如，Si)具有相对小吸收系数的长波长基波，该基波加热基板的深层位置。同样，采用该材料具有大吸收系数的短波长转换波，诸如非晶硅的材料可以有效吸收该波长。因此，该材料可以改变或者改性成多晶硅(多晶硅或者微晶硅)。就是说，通过用基波轻微加热希望改变材料位置的周围，这样，可以防止吸收转换波所产生的热从材料消散。结果，可以实现有效、高效率的激光照射设备。
7、用于激光退火设备等的激光照射设备的激光光源装置构造为使得光源相对于基板运动以在垂直于线状光束的纵向方向的方向上，即在短轴方向上退火。从而，可以获得下面的优点。尽管材料的周围部分(短轴方向的前、后部分)以对材料具有相对小吸收系数的长波长基波照射，但是用对该材料具有大吸收系数的短波长转换波改性或者加工该材料。在此情况下，在光束的长轴方向上，基波和转换波在光束的长轴方向上以积分仪等提供基本上均匀的光束直径的均匀照射。在光束的短轴方向上，因为转换波具有较小的光束直径，所以基波提供预加热和缓慢冷却。因此，通过用基波预加热要改变材料的位置，通过照射转换波在该位置上的温度可以在短时间内增加到高温。同样，该材料改变位置的周边即使在材料改变后也可以用对该材料具有小吸收系数的基波连续加热。该改变位置的周围可以缓慢冷却，由此防止产生机械应力。在晶化工艺中，可以制作大的晶体。就是说，材料要改变的位置在该位置以相对低温充分预加热后在短时间内可以加热到高温。
本申请包含2008年7月1日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP2008-172667中揭示的相关主题，因此其全部内容一并作为参考。
本领域的技术人员应当理解的是，在权利要求或其等同特征的范围内，根据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。