CN101013200A

CN101013200A - 激光精密加工的光学系统

Info

Publication number: CN101013200A
Application number: CN 200710020072
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 高永强
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2007-08-08

Abstract

本发明提供一种激光精密加工的光学系统，包括激光器、扩束镜和聚焦镜，在扩束镜和聚焦镜之间设有分光器，分光器的入射面与扩束镜相连，分光器的反射面与聚焦镜相连；从激光器发出的激光束经扩束镜扩束后，垂直照射到分光器的入射面，经过分光器分光，激光束由截面为圆形的一束激光束变为截面为半圆形的两束激光，两束半圆形激光平行射出，再经过聚焦镜聚焦之后光斑相互接近，两个光斑的能量发生部分重叠，最后形成平顶或近似平顶的方形光斑。本发明实现了加工方形槽的功能，充分利用光斑能量，同等功率下扩展了激光束的刻槽尺寸范围，激光束加工后的槽形为方形或近似方形，较好地满足了生产要求；此光学系统还可实现加工不同宽度和深度的槽。

Description

激光精密加工的光学系统

技术领域

本发明涉及一种光学系统，尤其涉及用于太阳能硅片激光精密加工的方形光斑光学系统，属于激光精密加工制造技术领域。

背景技术

众所周知，太阳能电池是利用光电效应而产生电流。在制造太阳能电池的过程中，需要在硅片的表面加工大量具有一定宽度和深度的槽，在槽中渗透金属，然后在金属表面焊接引线，以便将太阳能电池产生的电流导出。其中，槽的槽形结构直接影响到太阳能电池的光电转换效率，以方形槽的效果最佳。目前，采用金刚石刀具来磨削硅片，在电池的表面加工出所要求的槽，由于金刚石刀具加工硅片的速度很慢(＜60mm/s)，虽然可以通过多片组合方式来提高效率，但是仍然不能满足生产的需求。

随着高功率激光器可靠性的不断提高，激光逐渐被大量应用于太阳能硅片、液晶显示屏幕等材料的加工加工，在硅片和液晶显示屏的表面加工刻槽，或者将硅片分割成较小的单元块。在精密刻槽的过程中，为了保证槽的质量和提高刻槽能力，通常使用基模(TEM00)激光束进行刻槽，由于TEM00激光束的能量分布呈高斯形，加工后割缝的截面形状为椭圆或近似三角形状，槽的侧表面平整度很差。同时，TEM00激光束的大部分能量(86％)集中在激光束光腰范围内，高斯光束不能满足加工后割缝深度一致的要求。

据申请人了解，国内使用激光加工硅片的设备处于实验状态，此类设备还不具备实现对加工槽形进行控制的功能，目前没有相关产品被使用的报道。国外同类设备已被使用，如美国的Control Systemation、PTG industries及瑞士synova公司，但是上述设备加工时激光束的模式仍为TEM00基模，切槽为椭圆或三角形。

因此，为了克服上述缺陷满足硅片生产的要求，急需研制出一套用于精密加工的方形光斑光学系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种激光精密加工的方形光斑光学系统，旨在改变传统加工激光束光斑的形状，使激光光束加工后的槽形为方形或近似方形。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

激光精密加工的光学系统，包括激光器、扩束镜和聚焦镜，其特征在于：在扩束镜和聚焦镜之间设有分光器，分光器的入射面与扩束镜相连，分光器的反射面与聚焦镜相连；从激光器发出的激光束经扩束镜扩束后，垂直照射到分光器的入射面，然后经过分光器分光，激光束由截面为圆形的一束激光束变为截面为半圆形的两束激光，两束半圆形激光平行射出，再经过聚焦镜聚焦之后光斑相互接近，两个光斑的能量发生部分重叠，最后形成平顶或近似平顶的方形光斑。

进一步地，上述的激光精密加工的光学系统，其中，所述分光器反射面的倾斜角度为45度。

更进一步地，上述的激光精密加工的光学系统，其中，所述激光束的轴线与分光器入射面的棱重合。

本发明技术方案的突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明精密加工的方形光斑光学系统实现了加工方形槽的功能，充分利用光斑能量，同等功率下扩展了激光束的刻槽尺寸范围，提高了激光刻槽设备的灵活性；激光束加工后的槽形为方形或近似方形，较好地满足了生产的要求。此光学系统还可根据槽的不同尺寸要求，很方便地加工不同宽度和不同深度的槽。当方形光斑光学系统用于加工太阳能硅片时，所加工出的方形槽结构大大提高了太阳能电池的光电转换效率。本发明设计独特、功能卓越、使用简洁，具有很好的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明光学系统的结构示意图；

图2：本发明分光器的结构原理图；

图3：高斯光斑的能量分布图；

图4：半个高斯光斑的能量分布图；

图5：经过分光器并聚焦后的光斑的能量分布图；

图6：间距为光斑半径时的能量分布图。

图中各附图标记的含义为：

1-激光器，2-扩束镜，3-分光器，4-聚焦镜。

具体实施方式

本发明的结构如图1所示，激光精密加工的光学系统，包括扩束镜2、分光器3和聚焦镜4，分光器3设在扩束镜2和聚焦镜4之间，分光器3的入射面与扩束镜2相连，分光器3的反射面与聚焦镜4相连。分光器反射面的倾斜角度为45度。

具体应用时，从激光器1发出的激光束首先经扩束镜2扩束后，使激光束的光腰直径增大到一定的尺寸范围，以方便后续步骤的处理；扩束后的激光束垂直照射到分光器3的入射面，如图2；经分光器3分光后，激光束由进入前截面为圆形的一束激光束(如图3)变为截面为半圆形(如图4)的两束激光，并且这两束激光束平行射出；被分光后的两束激光经聚焦镜4聚焦后光斑相互接近，此时，两个光斑的能量发生重叠形成新的光斑，随着两个光斑之间距离的接近，沿垂直半圆光斑直径的中心，叠加后的能量分布近似为平顶，如图5；当两个光斑之间的距离为光腰半径值时，叠加后的能量分布为平顶，如图6。因为激光束的能量分布决定了加工后的槽形，所以，采用此激光束沿平行于半圆直径方向加工后的槽形为方形。

需说明的是，分光器3的结构原理，如图3，通过将一束TEM00模激光的不同部分分别经过分光器3中有一定倾斜角度的反射面，使得经过分光器3的激光束被分成两部分，然后这两部分再沿平行方向射出，被分离后的激光束截面的形状由入射前的激光束与分光器的相对位置关系决定，激光束的轴线与分光器入射面的棱重合，确保分光后的两个光斑形状一致。若不重合，分光后的两个光斑的形状将不一致。

精密加工的方形光斑光学系统使用的激光器光束必须是基模(TEM00)，经过分光后的两束激光之间的距离只有满足一定要求，才能保证获得的激光束能量分布，如图6所示。加工时，太阳能硅片被吸附在XY平台上，且当平台沿半圆光斑的直边方向运行时打开激光加工硅片，所得切槽底部是水平的，获得的切槽截面形状近似方形。

综上所述，本发明技术方案实现了加工方形槽的功能，充分利用了光斑能量。同等功率下使用圆形光斑加工时，受能量分布的影响，光斑边缘的能量未能很好利用，而方形光斑充分利用激光束的能量，扩展了激光束的刻槽尺寸范围，提高了激光刻槽设备的灵活性。激光束加工后的槽形为方形或近似方形，较好地满足了硅片生产的要求。方形光斑光学系统用于加工太阳能硅片，所加工出的方形槽结构可以容纳较多的金属材料，增强了太阳能硅片的导电能力，大大提高了太阳能电池的光电转换效率，具有很好的应用前景。

当然，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.激光精密加工的光学系统，包括激光器、扩束镜和聚焦镜，其特征在于：在扩束镜和聚焦镜之间设有分光器，分光器的入射面与扩束镜相连，分光器的反射面与聚焦镜相连；从激光器发出的激光束经扩束镜扩束后，垂直照射到分光器的入射面，然后经过分光器分光，激光束由截面为圆形的一束激光束变为截面为半圆形的两束激光，两束半圆形激光平行射出，再经过聚焦镜聚焦之后光斑相互接近，两个光斑的能量发生部分重叠，最后形成平顶或近似平顶的方形光斑。

2.根据权利要求1所述的激光精密加工的光学系统，其特征在于：所述分光器反射面的倾斜角度为45度。

3.根据权利要求1所述的激光精密加工的光学系统，其特征在于：所述激光束的轴线与分光器入射面的棱重合。