專利名稱：太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種激光劃片裝置，尤其是一種太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置。
背景技術：
劃片機是太陽能硅電池片——電池板組件生產中的關鍵和必需的設備。目前，常用的劃片機有機械劃片機和激光劃片機兩種。激光劃片機主要由Nd:YAG激光部件和其輸 出光路上的二維電移臺，以及水冷卻部件、激光電源和整機控制部件構成，其中，Nd:YAG激 光部件由其激光振蕩回路上依次置有的全反腔片、調Q器、激光棒和輸出腔片組成，整機控 制部件分別與二維電移臺、激光電源和調Q器電連接。劃片時，Nd:YAG激光部件發出的激 光束聚焦在位于二維電移臺上的移動的硅片表面，以極高的功率密度使硅片的被聚焦點汽 化后形成溝槽，在溝槽外造成應力集中，使硅片易于沿溝槽整齊地斷開；或者，直接用激光 切割硅片，將硅片分割成所需的形狀，以最終獲得所需電壓和功率的電池板組件——硅電 池片。但是，這種激光劃片機存在著不足之處，首先，Nd:YAG激光部件中的全反腔片和輸出 腔片均為平面鏡，這種工作不穩定的臨界腔不僅使激光輸出功率的穩定性極差，還使輸出 的激光模式和光斑強度分布不均勻。即輸出的激光束為高斯分布，其中心最強，兩邊呈高斯 函數下降分布，這種非平頂激光束聚焦在硅片上后，劃片結果形成的劃道呈V字型，由于劃 道邊緣的激光強度較弱，沒有達到硅汽化的條件，對硅材料只是熔融或燒蝕，根本沒有起到 切割的作用，從而使劃片的質量難以保證，有著一定的破損率，使生產成本難以降低；其次， Nd: YAG激光部件發出的激光束的波長為1064nm，既與硅片的共振吸收頻率偏離較大，又有 著于相同發散角的情況下，聚焦后光斑大的缺陷；再次，激光振蕩回路上的調Q器為聲光調 Q器，經其調Q后輸出的激光的脈沖寬度較寬，約為150ns左右，造成了單位時間內激光的能 量密度不夠高，使劃片的深度不理想，劃痕較寬，且使硅片的燒蝕嚴重，平滑度也較差。
發明內容
本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處，提供一種輸出功率穩 定，光斑強度分布均勻，波長與硅片的共振吸收頻率較接近，且光斑直徑小，單位時間內能 量密度高的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置。為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案為太陽能硅電池納秒脈沖綠激光 劃片裝置包括激光部件和其輸出光路上的二維電移臺，以及水冷卻部件、激光電源和整機 控制部件，所述激光部件包含激光振蕩回路上依次置有的全反腔片、調Q器、激光棒和輸出 腔片，所述激光棒與水冷卻部件相連接，且其外罩有聚光腔，所述整機控制部件分別與二維 電移臺、激光電源和調Q器電連接，特別是，所述輸出腔片為高斯鏡，所述全反腔片為與高斯鏡互補的凹面鏡；所述高斯鏡與二維電移臺間的光路上置有兩倍頻晶體，所述兩倍頻晶體的非通光 面上置有半導體冷卻器；
所述調Q器為電光調Q器，所述電光調Q器由激光振蕩回路上串接的起偏器、第一調Q晶體、第二調Q晶體和1/4波片組成，所述第一調Q晶體和第二調Q晶體的垂直于激光 振蕩回路的兩端面上鍍有波長為1064nm的增透膜、平行于激光振蕩回路的兩側面上置有 重復頻率為500 1000Hz的脈沖電壓，所述脈沖電壓的輸入端與所述整機控制部件的輸出 端電連接。作為太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置的進一步改進，所述的置于兩倍頻晶 體的非通光面上的半導體冷卻器的輸入端與整機控制部件的輸出端電連接；所述的第一調 Q晶體和第二調Q晶體均為硅酸鎵鑭晶體；所述的硅酸鎵鑭晶體的置有脈沖電壓的兩側面 上鍍有金膜；所述的激光棒為雙摻釔釹石榴石；所述的聚光腔為其內表面為漫反射面的陶 瓷聚光腔；所述的激光電源的工作頻率為500 1000Hz ；所述的兩倍頻晶體與二維電移臺 間的輸出光路上置有勻光器，所述勻光器為其雙面鍍有波長為532nm的增透膜的非球面擴 束鏡；所述的凹面鏡背面的輸出光路上置有四像監控儀；所述的是水冷卻部件的循環回路 中串接有百葉窗式散熱器、去離子凈化過濾器和半導體冷卻器。相對于現有技術的有益效果是，其一，采用輸出腔片為高斯鏡，全反腔片為與高斯 鏡互補的凹面鏡的激光振蕩腔結構，不僅避免了臨界腔產生的激光輸出功率不穩的現象， 為保證劃片的質量奠定了基礎，還由于高斯鏡的徑向變折射率特性，而抑制了中心模的振 蕩，改變了輸出的激光束的橫向分布，獲得了較為平頂的光束，使輸出的激光為低階膜，即 光斑強度的分布均勻，從而大大地提高了激光輸出的光學質量；其二，在高斯鏡與二維電移 臺間的光路上置有兩倍頻晶體，并在兩倍頻晶體的非通光面上置有半導體冷卻器，除將激 光部件發出的波長為1064nm的激光經倍頻后變成波長為532nm的綠色激光之外，還確保了 倍頻輸出的穩定。之所以選擇這種波長為532nm的綠色激光，一是因綠色激光的熱效應小， 對硅片的燒蝕弱，二是硅片對波長為532nm的綠色激光的吸收率比波長為1064nm的紅外激 光高出兩個數量級，極大地提升了劃片的效率，三是因綠色激光的波長短，在相同發散角的 情況下，聚焦后的光斑直徑也大為減小，相應地提高了聚焦點的功率密度，使劃縫的寬度得 到了較大的降低；其三，使用由激光振蕩回路上串接的起偏器、第一調Q晶體、第二調Q晶體 和1/4波片組成的電光調Q器，并于第一調Q晶體和第二調Q晶體的垂直于激光振蕩回路 的兩端面上鍍有波長為1064nm的增透膜、平行于激光振蕩回路的兩側面上置有重復頻率 為500 1000Hz的脈沖電壓，脈沖電壓的輸入端與整機控制部件的輸出端電連接的構造， 既克服了調Q頻率過高時，因調Q晶體極易產生旋光效應而發生激光振蕩鎖不死的難題，又 圓滿地解決了高頻調Q時，高重復率的調節與激光大功率的輸出之間的難以同時兼顧的矛 盾，使輸出的激光的脈沖寬度大大地降低了，現僅為IOns左右，還因采取將兩只調Q晶體于 工作時在光學上串聯，電學上并聯的構造，使其在高頻率工作時可以相互補償，調Q用的高 壓也降低了一半，更由于調Q晶體僅在調Q時才加有高壓脈沖，且所加的高壓脈沖的時間很 短，不會造成晶體極化，大大提高了晶體的使用壽命。經多次對劃片后的硅片進行測試，硅 片的燒蝕微乎其微，劃口平整光滑，其劃縫寬度僅為50μπι，劃片精度超過ΙΟμπι，劃片速度 和深度均增加了 50%，大大地提高了太陽能硅片電池的生產效率，降低了生產的成本。作為有益效果的進一步體現，一是置于兩倍頻晶體的非通光面上的半導體冷卻器的輸入端優選與整機控制部件的輸出端電連接，通過整機控制部件對兩倍頻晶體進行恒溫 控制，確保了高重復頻率倍頻輸出的穩定；二是第一調Q晶體和第二調Q晶體均優選為硅酸鎵鑭晶體，利用其具有的熱穩定性好、不潮解的特性，保證了調Q工作的穩定可靠；三是硅 酸鎵鑭晶體的置有脈沖電壓的兩側面上優選鍍有金膜，使其上所加有的高頻電場更均勻， 調Q的效果更佳；四是聚光腔優選為其內表面為漫反射面的陶瓷聚光腔，激光棒優選為雙 摻釔釹石榴石，激光電源的工作頻率優選為500 1000Hz，均為波長為1064nm的高重復率 脈沖激光的高效和穩定的輸出奠定了良好的基礎；五是兩倍頻晶體與二維電移臺間的輸出 光路上優選置有勻光器，該勻光器優選為其雙面鍍有波長為532nm的增透膜的非球面擴束 鏡，這種雙面鍍有波長為532nm的增透膜的高度消像差的非球面擴束鏡，大大地減小了激 光傳輸過程中的畸變和損耗；六是凹面鏡背面的輸出光路上優選置有四像監控儀，以用其 來隨時地監控激光輸出光斑的均勻性，防止了激光腔在非常條件下產生形變；七是水冷卻 部件的循環回路中優選串接有百葉窗式散熱器、去離子凈化過濾器和半導體冷卻器，保證 了水冷卻部件冷卻溫度的穩定性。
下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。圖1是本發明的一種基本結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1，太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置包括激光部件和其輸出光路3 上的二維電移臺1，以及水冷卻部件13、激光電源14和整機控制部件15。其中，激光部件包含激光振蕩回路上依次置有的全反腔片、調Q器、激光棒9和輸出腔 片。其中的輸出腔片為高斯鏡6，全反腔片為與高斯鏡6互補的凹面鏡11 ；調Q器為電光 調Q器10，該電光調Q器10由激光振蕩回路上串接的起偏器101、第一調Q晶體102、第二調 Q晶體103和1/4波片104組成，前述第一調Q晶體102和第二調Q晶體103均為硅酸鎵鑭 晶體，此硅酸鎵鑭晶體的垂直于激光振蕩回路的兩端面上鍍有波長為1064nm的增透膜、平 行于激光振蕩回路的兩側面上鍍有金膜，且在鍍有金膜的兩側面上置有重復頻率為500 IOOOHz的脈沖電壓，現優選設定為1000Hz，此脈沖電壓的輸入端與整機控制部件15的輸出 端電連接；激光棒9為雙摻釔釹石榴石，它與水冷卻部件13相連接，且其旁置有氙燈7，外 罩有聚光腔，氙燈7與激光電源14電連接，聚光腔為其內表面為漫反射面的陶瓷聚光腔8。高斯鏡6與二維電移臺1間的光路3上置有兩倍頻晶體5，該兩倍頻晶體5的非通 光面上置有半導體冷卻器；該半導體冷卻器的輸入端與整機控制部件15的輸出端電連接。兩倍頻晶體5與二維電移臺1間的輸出光路3上置有勻光器4，該勻光器4為其雙 面鍍有波長為532nm的增透膜的非球面擴束鏡。凹面鏡11背面的輸出光路3上置有四像監控儀12，該四像監控儀12的輸出端與 整機控制部件15的輸入端電連接(也可與聲光報警器電連接)。激光電源(14)的工作頻率為500 1000Hz，現優選設定為1000Hz。 水冷卻部件13的循環回路中串接有百葉窗式散熱器、去離子凈化過濾器和半導 體冷卻器，百葉窗式散熱器、去離子凈化過濾器和半導體冷卻器的電器控制端均與整機控 制部件15的輸出端電連接。整機控制部件15的輸出端分別與二維電移臺1、激光電源14和電光調Q器10的脈沖電壓的輸入端電連接。使用時，只需將待劃片的硅片2置于二維電移臺1上；接通電源后，本發明即可在 整機控制部件15的統一控制下，自動地按設定的尺寸進行劃片。顯然，本領域的技術人員可以對本發明的太陽能硅電池劃片裝置進行各種改動和 變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權 利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
一種太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，包括激光部件和其輸出光路(3)上的二維電移臺(1)，以及水冷卻部件(13)、激光電源(14)和整機控制部件(15)，所述激光部件包含激光振蕩回路上依次置有的全反腔片、調Q器、激光棒(9)和輸出腔片，所述激光棒(9)與水冷卻部件(13)相連接，且其外罩有聚光腔，所述整機控制部件(15)分別與二維電移臺(1)、激光電源(14)和調Q器電連接，其特征在于所述輸出腔片為高斯鏡(6)，所述全反腔片為與高斯鏡(6)互補的凹面鏡(11)；所述高斯鏡(6)與二維電移臺(1)間的光路(3)上置有兩倍頻晶體(5)，所述兩倍頻晶體(5)的非通光面上置有半導體冷卻器；所述調Q器為電光調Q器(10)，所述電光調Q器(10)由激光振蕩回路上串接的起偏器(101)、第一調Q晶體(102)、第二調Q晶體(103)和1/4波片(104)組成，所述第一調Q晶體(102)和第二調Q晶體(103)的垂直于激光振蕩回路的兩端面上鍍有波長為1064nm的增透膜、平行于激光振蕩回路的兩側面上置有重復頻率為500～1000Hz的脈沖電壓，所述脈沖電壓的輸入端與所述整機控制部件(15)的輸出端電連接。
2.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是置于兩倍 頻晶體(5)的非通光面上的半導體冷卻器的輸入端與整機控制部件(15)的輸出端電連接。
3.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是第一調Q 晶體(102)和第二調Q晶體(103)均為硅酸鎵鑭晶體。
4.根據權利要求3所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是硅酸鎵鑭 晶體的置有脈沖電壓的兩側面上鍍有金膜。
5.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是激光棒 (9)為雙摻釔釹石榴石。
6.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是聚光腔為 其內表面為漫反射面的陶瓷聚光腔(8)。
7.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是激光電源 (14)的工作頻率為500 IOOOHz。
8.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是兩倍頻晶 體(5)與二維電移臺(1)間的輸出光路(3)上置有勻光器(4)，所述勻光器(4)為其雙面鍍 有波長為532nm的增透膜的非球面擴束鏡。
9.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是凹面鏡 (11)背面的輸出光路⑶上置有四像監控儀(12)。
10.根據權利要求1所述的太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置，其特征是水冷卻 部件(13)的循環回路中串接有百葉窗式散熱器、去離子凈化過濾器和半導體冷卻器。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能硅電池納秒脈沖綠激光劃片裝置。它包括激光部件和其光路(3)上的二維電移臺(1)，以及水冷卻部件(13)、激光電源(14)和整機控制部件(15)，激光部件包含振蕩回路上置有的全反腔片、調Q器、激光棒(9)和輸出腔片，特別是輸出腔片為高斯鏡(6)，全反腔片為與高斯鏡(6)互補的凹面鏡(11)；高斯鏡(6)與二維電移臺(1)間的光路(3)上置有其非通光面上附有半導體冷卻器的兩倍頻晶體(5)；調Q器為由振蕩回路上串接的起偏器(101)、第一調Q晶體(102)、第二調Q晶體(103)和1/4波片(104)組成的電光調Q器(10)。它的劃縫寬度為50μm、精度為10μm，劃片速度和深度增加50％，提高了劃片效率和降低了生產成本。
文檔編號B23K26/00GK101837515SQ20091011637
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者吳先友, 江海河, 袁自鈞 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所;合肥中加激光技術有限公司