CN101745746A - 太阳能硅晶片激光四线划槽装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能硅晶片激光四线划槽机，包括激光器、外设光路、可控的工作平台。该激光四线划槽机使用的是Nd:YAG激光器，其内设有Q开关、全反镜、半透半反镜、光阑、输出镜、扩束镜，经过各光学元件，激光器内形成四个对称的谐振腔，在声光Q开关调制下，每个谐振腔发出一束激光，分别入射到对应的反射镜，再经过聚焦透镜作用，形成光能量、光束间距均可调的四束激光，从而实现对太阳能硅晶片四线同步加工的目的。光束间距的调节是通过反射镜组内各个反射镜的位置移动来调节的，满足太阳能硅晶片不同槽间距的加工要求，其间距调节范围为1～4mm。利用四束激光划槽，生产率提高300％，可节约能源50％。

Description

太阳能硅晶片激光四线划槽装置

技术领域

本发明涉及一种太阳能硅晶片四束激光划槽装置，属于太阳能硅晶片加工技术领域。

背景技术

太阳能是当今最为光明的新兴产业，目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。太阳能光伏电池(简称光伏电池)用于把太阳光能直接转化为电能。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池，多晶硅比单晶硅转换效率略低，但价格更便宜。另外，还有其他类型的太阳电池。

目前在太阳能硅晶片激光划槽加工领域，国内外盛行的划槽机都是利用单束激光在工件上进行加工，但利用单束激光加工出现的一个瓶颈问题是划槽速度慢，严重影响了加工效率，使产能跟不上需要的速度。因此如何实现太阳能硅晶片划槽高效率加工已成为一个急待解决的问题。据目前资料查询，国内外尚无关于太阳能多线加工技术方面的报道，更没有此类产品的出现。为此，本发明提出了一种太阳能硅晶片四束激光划槽技术，它利用在一个激光器内经过一系列光学元件的组合形成四个激光谐振腔，并出射四束能量相同的激光束，从而实现四线加工技术，使生产率可以提高300％，能源可以节约50％。它主要应用于硅、锗、砷化镓等材料的划槽与切割，特别适用于单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池的切割。

发明内容

本发明的目的是解决目前太阳能硅晶片单线激光加工效率低的缺陷，提供一种四束激光同时对太阳能硅晶片进行划槽的技术，实现多线加工，使激光划槽加工技术效率调高300％，能源节约50％。

本发明主要包括激光器、外设光路、可控的工作平台，以及与激光器相匹配的激光电源、声光Q开关驱动器、水冷机、工控机控制系统

本发明的技术方案是：Nd:YAG激光器内设有声光Q开关、全反镜、半透半反镜、全反射直角棱镜、光阑、输出镜，将各个光学元件按一定的光路对称间隔放置，形成对称的四个激光谐振腔，经过声光Q开关调制发射出4束波长1064nm、直径Φ4mm的激光，且分别入射到对应的反射镜，再经过聚焦透镜作用，形成光能量、光束间距均可调的四束激光，实现对太阳能硅晶片的四线同步加工，材料表面在激光束的作用下气化而被去除，实现激光光束在工件表面的划槽。激光束聚焦光斑为Φ9～19μm，光束间距调节范围为1～4mm，划槽最小线宽10μm，划槽深度平均为25um，最大划槽速度达145mm/s，功率为20～50W，声光Q驱动功率为50W，工作频率为27MHz，调制频率为0.2～50KHz。

此外，对Nd:YAG激光器内部应同时应进行冷却处理。此装置在晶体棒外层设置水冷循环通道；对Nd:YAG晶体的纵向两端对称放置的两个声光Q开关也应配置对应的水冷循环通道，如图2所示，所有的冷却通道均通过与激光器1和冷水机20相连的进水管20-1和出水管20-2。

其激光器的一系列元件都安置在抗热变形的硬铝合金轨道上，再加上外壳，即构成了大功率固体激光发生装置。激光发生器、激光电源、声光Q开关驱动器、水冷机与工控机控制器，即组成了太阳能硅晶片激光四线划槽机。该装置具有效率高、光束质量好、寿命长及运转成本低等特点。

附图说明

图1是本发明太阳能硅晶片激光四线划槽机整机示意图。

图2是本发明太阳能硅晶片激光四线划槽机的激光器内部结构及原理示意图

图3是本发明太阳能硅晶片激光四线划槽机的激光束间距调节装置俯视图。

具体实施方式

如图1所示，太阳能硅晶片激光四线划槽机主要由激光器1、反射镜组12、光学聚焦透镜13、X-Y移动平台14，以及与机器配套的激光水冷机20、工控机系统21、22、激光电源23、两个声光Q开关驱动器24、25、X-Y工作平台和反射镜12a、12b、12c、12d移动的控制电路系统26组成。

激光器1经过其内部的光学元件输出四束激光，经过反射镜组12将光平行入射到聚焦透镜13上，然后经过聚焦透镜13的作用使光聚焦到所要加工的太阳能硅晶片15上，实现太阳能硅晶片四线同时加工的目的。

结合图2对本发明的装置及原理加以解释。如图2所示是本发明的原理装置图，主要包括激光器1，反射镜组12，聚焦透镜13和X-Y移动平台14。激光器1由激光电源23带动泵浦源件4去泵浦激光晶体(Nd:YAG晶体)6工作。激光晶体Nd:YAG6在泵浦元件4的作用下辐射1064nm的光子，两端分别经过声光Q开关3a、3b，由反射镜2a、2b反射到半透半反镜7a、7b上，经过半透半反镜7a、7b后激光束被分为两束，一束透射过半透半反镜镜7a、7b入射到输出镜10a、10d后直接从谐振腔中出射；另一束则反射到直角棱镜5，经过直角棱镜5的反射作用后入射至输出镜10b、10c，然后输出激光。其中在装置中的四个输出镜10a、10b、10c、10d前分别置一光阑9a、9b、9c、9d，其目的是控制输出光束的大小；在四个输出镜10a、10b、10c、10d后面分别加一扩束镜11a、11b、11c、11d，其目的是提高激光束的光束质量。当光束经过输出镜10a、10b、10c、10d输出时，有90％的光被反射回来，再经过半透半反镜7a、7b和全反镜2a、2b、8a、8b反射到Nd:YAG激光晶体6上，这样，在激光器内形成了4个激光谐振腔，激光器输出光束波长为1064nm。出射的四束激光分别入射到反射镜组工作平台12上，并经过反射镜12a、12b、12c、12d反射到聚焦透镜13上，四束激光被聚焦至要加工的硅晶片15上，硅晶片15置于X-Y移动平台14上，工作平台14内布置X向步进电机16和Y向步进电机17，且两个方向的步进电机由工控机控制实现其X、Y方向移动，进行四束激光四线划槽加工。

激光晶体6采用Φ4～6mm、长100～150mm的Nd:YAG晶体棒，它的侧面打毛，两端磨成平面，且镀1064nm的增透膜。

图3是对本发明太阳能硅晶片激光四线划槽机的激光束间距调节的示意图。如图3所示，反射镜12a、12b、12c、12d等间距地放置在反射镜组工作平台12上，且旁都配有对应的电机27a、27b、27c、27d，由工控机21、22通过控制系统使电机27a、27b、27c、27d工作，让反射镜12a、12b、12c、12d在滑槽28a、28b、28c、28d上精确移动，实现了光束间距调整，达到不同槽间距加工要求，其间距调节范围为图3所示的a范围，其a的取值为1～4mm。

通过以上的附图简要说明描述了本发明，所有由一个激光器通过其内部的反射镜、半透半反镜光学元件实现四个激光谐振腔的其他实施方式均属于本发明权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种太阳能硅晶片激光四线划槽机，包括激光器、外设光路、可控的工作平台，以及与激光器相匹配的激光电源、声光Q开关驱动器、水冷机、工控机控制系统，其中所述的激光器内设有激光工作物质(Nd:YAG晶体)、激光泵浦源、声光Q开关、全反射平面镜、半透半反镜、全反射直角棱镜、光阑、输出镜、扩束镜。

2.根据权利要求1所述的太阳能硅晶片激光四线划槽机，控制工作台设在激光器的右侧，工作台上方设有与激光输出口一一相对应的全反射镜装置，以及一个聚焦光学系统装置，工作台附有控制驱动系统，实现工作平台的X、Y两维方向的自由移动。

3.根据权利要求1所述的太阳能硅晶片激光四线划槽机，其特征在于：激光器内各个光学元件按一定的光路对称间隔放置，形成对称的激光谐振腔。

4.根据权利要求1、2、3所述的太阳能硅晶片激光四线划槽机，在激光器内部形成四个对称的激光谐振腔，经过声光Q开关调制，每个谐振腔均发出一束波长1064nm、直径Φ4mm的激光束，分别入射到对应的反射镜，再经过聚焦透镜作用，形成光能量、光束间距均可调的四束激光，实现对太阳能硅晶片的四线同步加工。

5.根据权利要求1、2、3、4所述的太阳能硅晶片激光四线划槽机，其光束间距的调节是通过控制反射镜组内的各个电机工作来控制各个反射镜的移动，满足太阳能硅晶片不同槽间距的加工要求，其光束间距调节范围为1～4mm。

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