专利名称：太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光划片装置，尤其是一种太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置。
背景技术：
划片机是太阳能硅电池片——电池板组件生产中的关键和必需的设备。目前，常用的划片机有机械划片机和激光划片机两种。激光划片机主要由Nd:YAG激光部件和其输 出光路上的二维电移台，以及水冷却部件、激光电源和整机控制部件构成，其中，Nd:YAG激 光部件由其激光振荡回路上依次置有的全反腔片、调Q器、激光棒和输出腔片组成，整机控 制部件分别与二维电移台、激光电源和调Q器电连接。划片时，Nd:YAG激光部件发出的激 光束聚焦在位于二维电移台上的移动的硅片表面，以极高的功率密度使硅片的被聚焦点汽 化后形成沟槽，在沟槽外造成应力集中，使硅片易于沿沟槽整齐地断开；或者，直接用激光 切割硅片，将硅片分割成所需的形状，以最终获得所需电压和功率的电池板组件——硅电 池片。但是，这种激光划片机存在着不足之处，首先，Nd:YAG激光部件中的全反腔片和输出 腔片均为平面镜，这种工作不稳定的临界腔不仅使激光输出功率的稳定性极差，还使输出 的激光模式和光斑强度分布不均勻。即输出的激光束为高斯分布，其中心最强，两边呈高斯 函数下降分布，这种非平顶激光束聚焦在硅片上后，划片结果形成的划道呈V字型，由于划 道边缘的激光强度较弱，没有达到硅汽化的条件，对硅材料只是熔融或烧蚀，根本没有起到 切割的作用，从而使划片的质量难以保证，有着一定的破损率，使生产成本难以降低；其次， Nd: YAG激光部件发出的激光束的波长为1064nm，既与硅片的共振吸收频率偏离较大，又有 着于相同发散角的情况下，聚焦后光斑大的缺陷；再次，激光振荡回路上的调Q器为声光调 Q器，经其调Q后输出的激光的脉冲宽度较宽，约为150ns左右，造成了单位时间内激光的能 量密度不够高，使划片的深度不理想，划痕较宽，且使硅片的烧蚀严重，平滑度也较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种输出功率稳 定，光斑强度分布均勻，波长与硅片的共振吸收频率较接近，且光斑直径小，单位时间内能 量密度高的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置。为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光 划片装置包括激光部件和其输出光路上的二维电移台，以及水冷却部件、激光电源和整机 控制部件，所述激光部件包含激光振荡回路上依次置有的全反腔片、调Q器、激光棒和输出 腔片，所述激光棒与水冷却部件相连接，且其外罩有聚光腔，所述整机控制部件分别与二维 电移台、激光电源和调Q器电连接，特别是，所述输出腔片为高斯镜，所述全反腔片为与高斯镜互补的凹面镜；所述高斯镜与二维电移台间的光路上置有两倍频晶体，所述两倍频晶体的非通光 面上置有半导体冷却器；
所述调Q器为电光调Q器，所述电光调Q器由激光振荡回路上串接的起偏器、第一调Q晶体、第二调Q晶体和1/4波片组成，所述第一调Q晶体和第二调Q晶体的垂直于激光 振荡回路的两端面上镀有波长为1064nm的增透膜、平行于激光振荡回路的两侧面上置有 重复频率为500 1000Hz的脉冲电压，所述脉冲电压的输入端与所述整机控制部件的输出 端电连接。作为太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置的进一步改进，所述的置于两倍频晶 体的非通光面上的半导体冷却器的输入端与整机控制部件的输出端电连接；所述的第一调 Q晶体和第二调Q晶体均为硅酸镓镧晶体；所述的硅酸镓镧晶体的置有脉冲电压的两侧面 上镀有金膜；所述的激光棒为双掺钇钕石榴石；所述的聚光腔为其内表面为漫反射面的陶 瓷聚光腔；所述的激光电源的工作频率为500 1000Hz ；所述的两倍频晶体与二维电移台 间的输出光路上置有勻光器，所述勻光器为其双面镀有波长为532nm的增透膜的非球面扩 束镜；所述的凹面镜背面的输出光路上置有四像监控仪；所述的是水冷却部件的循环回路 中串接有百叶窗式散热器、去离子净化过滤器和半导体冷却器。相对于现有技术的有益效果是，其一，采用输出腔片为高斯镜，全反腔片为与高斯 镜互补的凹面镜的激光振荡腔结构，不仅避免了临界腔产生的激光输出功率不稳的现象， 为保证划片的质量奠定了基础，还由于高斯镜的径向变折射率特性，而抑制了中心模的振 荡，改变了输出的激光束的横向分布，获得了较为平顶的光束，使输出的激光为低阶膜，即 光斑强度的分布均勻，从而大大地提高了激光输出的光学质量；其二，在高斯镜与二维电移 台间的光路上置有两倍频晶体，并在两倍频晶体的非通光面上置有半导体冷却器，除将激 光部件发出的波长为1064nm的激光经倍频后变成波长为532nm的绿色激光之外，还确保了 倍频输出的稳定。之所以选择这种波长为532nm的绿色激光，一是因绿色激光的热效应小， 对硅片的烧蚀弱，二是硅片对波长为532nm的绿色激光的吸收率比波长为1064nm的红外激 光高出两个数量级，极大地提升了划片的效率，三是因绿色激光的波长短，在相同发散角的 情况下，聚焦后的光斑直径也大为减小，相应地提高了聚焦点的功率密度，使划缝的宽度得 到了较大的降低；其三，使用由激光振荡回路上串接的起偏器、第一调Q晶体、第二调Q晶体 和1/4波片组成的电光调Q器，并于第一调Q晶体和第二调Q晶体的垂直于激光振荡回路 的两端面上镀有波长为1064nm的增透膜、平行于激光振荡回路的两侧面上置有重复频率 为500 1000Hz的脉冲电压，脉冲电压的输入端与整机控制部件的输出端电连接的构造， 既克服了调Q频率过高时，因调Q晶体极易产生旋光效应而发生激光振荡锁不死的难题，又 圆满地解决了高频调Q时，高重复率的调节与激光大功率的输出之间的难以同时兼顾的矛 盾，使输出的激光的脉冲宽度大大地降低了，现仅为IOns左右，还因采取将两只调Q晶体于 工作时在光学上串联，电学上并联的构造，使其在高频率工作时可以相互补偿，调Q用的高 压也降低了一半，更由于调Q晶体仅在调Q时才加有高压脉冲，且所加的高压脉冲的时间很 短，不会造成晶体极化，大大提高了晶体的使用寿命。经多次对划片后的硅片进行测试，硅 片的烧蚀微乎其微，划口平整光滑，其划缝宽度仅为50μπι，划片精度超过ΙΟμπι，划片速度 和深度均增加了 50%，大大地提高了太阳能硅片电池的生产效率，降低了生产的成本。作为有益效果的进一步体现，一是置于两倍频晶体的非通光面上的半导体冷却器的输入端优选与整机控制部件的输出端电连接，通过整机控制部件对两倍频晶体进行恒温 控制，确保了高重复频率倍频输出的稳定；二是第一调Q晶体和第二调Q晶体均优选为硅酸镓镧晶体，利用其具有的热稳定性好、不潮解的特性，保证了调Q工作的稳定可靠；三是硅 酸镓镧晶体的置有脉冲电压的两侧面上优选镀有金膜，使其上所加有的高频电场更均勻， 调Q的效果更佳；四是聚光腔优选为其内表面为漫反射面的陶瓷聚光腔，激光棒优选为双 掺钇钕石榴石，激光电源的工作频率优选为500 1000Hz，均为波长为1064nm的高重复率 脉冲激光的高效和稳定的输出奠定了良好的基础；五是两倍频晶体与二维电移台间的输出 光路上优选置有勻光器，该勻光器优选为其双面镀有波长为532nm的增透膜的非球面扩束 镜，这种双面镀有波长为532nm的增透膜的高度消像差的非球面扩束镜，大大地减小了激 光传输过程中的畸变和损耗；六是凹面镜背面的输出光路上优选置有四像监控仪，以用其 来随时地监控激光输出光斑的均勻性，防止了激光腔在非常条件下产生形变；七是水冷却 部件的循环回路中优选串接有百叶窗式散热器、去离子净化过滤器和半导体冷却器，保证 了水冷却部件冷却温度的稳定性。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。图1是本发明的一种基本结构示意图。
具体实施例方式参见图1，太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置包括激光部件和其输出光路3 上的二维电移台1，以及水冷却部件13、激光电源14和整机控制部件15。其中，激光部件包含激光振荡回路上依次置有的全反腔片、调Q器、激光棒9和输出腔 片。其中的输出腔片为高斯镜6，全反腔片为与高斯镜6互补的凹面镜11 ；调Q器为电光 调Q器10，该电光调Q器10由激光振荡回路上串接的起偏器101、第一调Q晶体102、第二调 Q晶体103和1/4波片104组成，前述第一调Q晶体102和第二调Q晶体103均为硅酸镓镧 晶体，此硅酸镓镧晶体的垂直于激光振荡回路的两端面上镀有波长为1064nm的增透膜、平 行于激光振荡回路的两侧面上镀有金膜，且在镀有金膜的两侧面上置有重复频率为500 IOOOHz的脉冲电压，现优选设定为1000Hz，此脉冲电压的输入端与整机控制部件15的输出 端电连接；激光棒9为双掺钇钕石榴石，它与水冷却部件13相连接，且其旁置有氙灯7，外 罩有聚光腔，氙灯7与激光电源14电连接，聚光腔为其内表面为漫反射面的陶瓷聚光腔8。高斯镜6与二维电移台1间的光路3上置有两倍频晶体5，该两倍频晶体5的非通 光面上置有半导体冷却器；该半导体冷却器的输入端与整机控制部件15的输出端电连接。两倍频晶体5与二维电移台1间的输出光路3上置有勻光器4，该勻光器4为其双 面镀有波长为532nm的增透膜的非球面扩束镜。凹面镜11背面的输出光路3上置有四像监控仪12，该四像监控仪12的输出端与 整机控制部件15的输入端电连接(也可与声光报警器电连接)。激光电源(14)的工作频率为500 1000Hz，现优选设定为1000Hz。 水冷却部件13的循环回路中串接有百叶窗式散热器、去离子净化过滤器和半导 体冷却器，百叶窗式散热器、去离子净化过滤器和半导体冷却器的电器控制端均与整机控 制部件15的输出端电连接。整机控制部件15的输出端分别与二维电移台1、激光电源14和电光调Q器10的脉冲电压的输入端电连接。使用时，只需将待划片的硅片2置于二维电移台1上；接通电源后，本发明即可在 整机控制部件15的统一控制下，自动地按设定的尺寸进行划片。显然，本领域的技术人员可以对本发明的太阳能硅电池划片装置进行各种改动和 变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权 利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，包括激光部件和其输出光路(3)上的二维电移台(1)，以及水冷却部件(13)、激光电源(14)和整机控制部件(15)，所述激光部件包含激光振荡回路上依次置有的全反腔片、调Q器、激光棒(9)和输出腔片，所述激光棒(9)与水冷却部件(13)相连接，且其外罩有聚光腔，所述整机控制部件(15)分别与二维电移台(1)、激光电源(14)和调Q器电连接，其特征在于所述输出腔片为高斯镜(6)，所述全反腔片为与高斯镜(6)互补的凹面镜(11)；所述高斯镜(6)与二维电移台(1)间的光路(3)上置有两倍频晶体(5)，所述两倍频晶体(5)的非通光面上置有半导体冷却器；所述调Q器为电光调Q器(10)，所述电光调Q器(10)由激光振荡回路上串接的起偏器(101)、第一调Q晶体(102)、第二调Q晶体(103)和1/4波片(104)组成，所述第一调Q晶体(102)和第二调Q晶体(103)的垂直于激光振荡回路的两端面上镀有波长为1064nm的增透膜、平行于激光振荡回路的两侧面上置有重复频率为500～1000Hz的脉冲电压，所述脉冲电压的输入端与所述整机控制部件(15)的输出端电连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是置于两倍 频晶体(5)的非通光面上的半导体冷却器的输入端与整机控制部件(15)的输出端电连接。
3.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是第一调Q 晶体(102)和第二调Q晶体(103)均为硅酸镓镧晶体。
4.根据权利要求3所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是硅酸镓镧 晶体的置有脉冲电压的两侧面上镀有金膜。
5.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是激光棒 (9)为双掺钇钕石榴石。
6.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是聚光腔为 其内表面为漫反射面的陶瓷聚光腔(8)。
7.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是激光电源 (14)的工作频率为500 IOOOHz。
8.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是两倍频晶 体(5)与二维电移台(1)间的输出光路(3)上置有勻光器(4)，所述勻光器(4)为其双面镀 有波长为532nm的增透膜的非球面扩束镜。
9.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是凹面镜 (11)背面的输出光路⑶上置有四像监控仪(12)。
10.根据权利要求1所述的太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置，其特征是水冷却 部件(13)的循环回路中串接有百叶窗式散热器、去离子净化过滤器和半导体冷却器。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能硅电池纳秒脉冲绿激光划片装置。它包括激光部件和其光路(3)上的二维电移台(1)，以及水冷却部件(13)、激光电源(14)和整机控制部件(15)，激光部件包含振荡回路上置有的全反腔片、调Q器、激光棒(9)和输出腔片，特别是输出腔片为高斯镜(6)，全反腔片为与高斯镜(6)互补的凹面镜(11)；高斯镜(6)与二维电移台(1)间的光路(3)上置有其非通光面上附有半导体冷却器的两倍频晶体(5)；调Q器为由振荡回路上串接的起偏器(101)、第一调Q晶体(102)、第二调Q晶体(103)和1/4波片(104)组成的电光调Q器(10)。它的划缝宽度为50μm、精度为10μm，划片速度和深度增加50％，提高了划片效率和降低了生产成本。
文档编号B23K26/00GK101837515SQ20091011637
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者吴先友, 江海河, 袁自钧 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所;合肥中加激光技术有限公司