專利名稱：太陽能硅晶片激光四線劃槽裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能硅晶片四束激光劃槽裝置，屬于太陽能硅晶片加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能是當今最為光明的新興產(chǎn)業(yè)，目前世界各國正在研究的太陽電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池。太陽能光伏電池(簡稱光伏電池)用于把太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，單晶硅和多晶硅電池優(yōu)于非晶硅電池，多晶硅比單晶硅轉(zhuǎn)換效率略低，但價格更便宜。另外，還有其他類型的太陽電池。
目前在太陽能硅晶片激光劃槽加工領(lǐng)域，國內(nèi)外盛行的劃槽機都是利用單束激光在工件上進行加工，但利用單束激光加工出現(xiàn)的一個瓶頸問題是劃槽速度慢，嚴重影響了加工效率，使產(chǎn)能跟不上需要的速度。因此如何實現(xiàn)太陽能硅晶片劃槽高效率加工已成為一個急待解決的問題。據(jù)目前資料查詢，國內(nèi)外尚無關(guān)于太陽能多線加工技術(shù)方面的報道，更沒有此類產(chǎn)品的出現(xiàn)。為此，本發(fā)明提出了一種太陽能硅晶片四束激光劃槽技術(shù)，它利用在一個激光器內(nèi)經(jīng)過一系列光學(xué)元件的組合形成四個激光諧振腔，并出射四束能量相同的激光束，從而實現(xiàn)四線加工技術(shù)，使生產(chǎn)率可以提高300%，能源可以節(jié)約50%。它主要應(yīng)用于硅、鍺、砷化鎵等材料的劃槽與切割，特別適用于單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池的切割。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決目前太陽能硅晶片單線激光加工效率低的缺陷，提供一種四束激光同時對太陽能硅晶片進行劃槽的技術(shù)，實現(xiàn)多線加工，使激光劃槽加工技術(shù)效率調(diào)高300%，能源節(jié)約50%。 本發(fā)明主要包括激光器、外設(shè)光路、可控的工作平臺，以及與激光器相匹配的激光電源、聲光Q開關(guān)驅(qū)動器、水冷機、工控機控制系統(tǒng) 本發(fā)明的技術(shù)方案是Nd:YAG激光器內(nèi)設(shè)有聲光Q開關(guān)、全反鏡、半透半反鏡、全反射直角棱鏡、光闌、輸出鏡，將各個光學(xué)元件按一定的光路對稱間隔放置，形成對稱的四個激光諧振腔，經(jīng)過聲光Q開關(guān)調(diào)制發(fā)射出4束波長1064nm、直徑①4mm的激光，且分別入射到對應(yīng)的反射鏡，再經(jīng)過聚焦透鏡作用，形成光能量、光束間距均可調(diào)的四束激光，實現(xiàn)對太陽能硅晶片的四線同步加工，材料表面在激光束的作用下氣化而被去除，實現(xiàn)激光光束在工件表面的劃槽。激光束聚焦光斑為①9 19iim，光束間距調(diào)節(jié)范圍為1 4mm，劃槽最小線寬10 y m，劃槽深度平均為25um，最大劃槽速度達145mm/s，功率為20 50W，聲光Q驅(qū)動功率為50W，工作頻率為27MHz，調(diào)制頻率為0. 2 50KHz。 此外，對Nd:YAG激光器內(nèi)部應(yīng)同時應(yīng)進行冷卻處理。此裝置在晶體棒外層設(shè)置水冷循環(huán)通道；對Nd:YAG晶體的縱向兩端對稱放置的兩個聲光Q開關(guān)也應(yīng)配置對應(yīng)的水冷循環(huán)通道，如圖2所示，所有的冷卻通道均通過與激光器1和冷水機20相連的進水管20-1和出水管20-2。 其激光器的一系列元件都安置在抗熱變形的硬鋁合金軌道上，再加上外殼，即構(gòu) 成了大功率固體激光發(fā)生裝置。激光發(fā)生器、激光電源、聲光Q開關(guān)驅(qū)動器、水冷機與工控 機控制器，即組成了太陽能硅晶片激光四線劃槽機。該裝置具有效率高、光束質(zhì)量好、壽命 長及運轉(zhuǎn)成本低等特點。


圖1是本發(fā)明太陽能硅晶片激光四線劃槽機整機示意圖。 圖2是本發(fā)明太陽能硅晶片激光四線劃槽機的激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理示意圖
圖3是本發(fā)明太陽能硅晶片激光四線劃槽機的激光束間距調(diào)節(jié)裝置俯視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，太陽能硅晶片激光四線劃槽機主要由激光器1、反射鏡組12、光學(xué)聚 焦透鏡13、 X-Y移動平臺14，以及與機器配套的激光水冷機20、工控機系統(tǒng)21、22、激光電 源23、兩個聲光Q開關(guān)驅(qū)動器24、25、X-Y工作平臺和反射鏡12a、 12b、 12c、 12d移動的控制 電路系統(tǒng)26組成。 激光器1經(jīng)過其內(nèi)部的光學(xué)元件輸出四束激光，經(jīng)過反射鏡組12將光平行入射到 聚焦透鏡13上，然后經(jīng)過聚焦透鏡13的作用使光聚焦到所要加工的太陽能硅晶片15上， 實現(xiàn)太陽能硅晶片四線同時加工的目的。 結(jié)合圖2對本發(fā)明的裝置及原理加以解釋。如圖2所示是本發(fā)明的原理裝置圖， 主要包括激光器1，反射鏡組12，聚焦透鏡13和X-Y移動平臺14。激光器1由激光電源23 帶動泵浦源件4去泵浦激光晶體(Nd: YAG晶體)6工作。激光晶體Nd: YAG6在泵浦元件4 的作用下輻射1064nm的光子，兩端分別經(jīng)過聲光Q開關(guān)3a、3b，由反射鏡2a、2b反射到半 透半反鏡7a、7b上，經(jīng)過半透半反鏡7a、7b后激光束被分為兩束， 一束透射過半透半反鏡鏡 7a、7b入射到輸出鏡10a、10d后直接從諧振腔中出射；另一束則反射到直角棱鏡5，經(jīng)過直 角棱鏡5的反射作用后入射至輸出鏡10b、10c，然后輸出激光。其中在裝置中的四個輸出鏡 10a、 10b、 10c、 10d前分別置一光闌9a、9b、9c、9d，其目的是控制輸出光束的大小；在四個輸 出鏡10a、10b、10c、10d后面分別加一擴束鏡11a、llb、llc、lld，其目的是提高激光束的光 束質(zhì)量。當光束經(jīng)過輸出鏡10a、 10b、 10c、 10d輸出時，有90%的光被反射回來，再經(jīng)過半透 半反鏡7a、7b和全反鏡2a、2b、8a、8b反射到Nd:YAG激光晶體6上，這樣，在激光器內(nèi)形成 了 4個激光諧振腔，激光器輸出光束波長為1064nm。出射的四束激光分別入射到反射鏡組 工作平臺12上，并經(jīng)過反射鏡12a、 12b、 12c、 12d反射到聚焦透鏡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移動平臺14上，工作平臺14內(nèi)布置X向步進電 機16和Y向步進電機17，且兩個方向的步進電機由工控機控制實現(xiàn)其X、Y方向移動，進行 四束激光四線劃槽加工。 激光晶體6采用①4 6mm、長100 150mm的Nd:YAG晶體棒，它的側(cè)面打毛，兩 端磨成平面，且鍍1064nm的增透膜。 圖3是對本發(fā)明太陽能硅晶片激光四線劃槽機的激光束間距調(diào)節(jié)的示意圖。如圖 3所示，反射鏡12a、 12b、 12c、 12d等間距地放置在反射鏡組工作平臺12上，且旁都配有對應(yīng)
4的電機27a、27b、27c、27d，由工控機21、22通過控制系統(tǒng)使電機27a、27b、27c、27d工作，讓反射鏡12a、12b、12c、12d在滑槽28a、28b、28c、28d上精確移動，實現(xiàn)了光束間距調(diào)整，達到不同槽間距加工要求，其間距調(diào)節(jié)范圍為圖3所示的a范圍，其a的取值為1 4mm。
通過以上的附圖簡要說明描述了本發(fā)明，所有由一個激光器通過其內(nèi)部的反射鏡、半透半反鏡光學(xué)元件實現(xiàn)四個激光諧振腔的其他實施方式均屬于本發(fā)明權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種太陽能硅晶片激光四線劃槽機，包括激光器、外設(shè)光路、可控的工作平臺，以及與激光器相匹配的激光電源、聲光Q開關(guān)驅(qū)動器、水冷機、工控機控制系統(tǒng)，其中所述的激光器內(nèi)設(shè)有激光工作物質(zhì)(Nd:YAG晶體)、激光泵浦源、聲光Q開關(guān)、全反射平面鏡、半透半反鏡、全反射直角棱鏡、光闌、輸出鏡、擴束鏡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能硅晶片激光四線劃槽機，控制工作臺設(shè)在激光器的右 側(cè)，工作臺上方設(shè)有與激光輸出口一一相對應(yīng)的全反射鏡裝置，以及一個聚焦光學(xué)系統(tǒng)裝 置，工作臺附有控制驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)工作平臺的X、 Y兩維方向的自由移動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能硅晶片激光四線劃槽機，其特征在于激光器內(nèi)各個 光學(xué)元件按一定的光路對稱間隔放置，形成對稱的激光諧振腔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的太陽能硅晶片激光四線劃槽機，在激光器內(nèi)部形成四個 對稱的激光諧振腔，經(jīng)過聲光Q開關(guān)調(diào)制，每個諧振腔均發(fā)出一束波長1064nm、直徑①4mm 的激光束，分別入射到對應(yīng)的反射鏡，再經(jīng)過聚焦透鏡作用，形成光能量、光束間距均可調(diào) 的四束激光，實現(xiàn)對太陽能硅晶片的四線同步加工。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的太陽能硅晶片激光四線劃槽機，其光束間距的調(diào)節(jié)是 通過控制反射鏡組內(nèi)的各個電機工作來控制各個反射鏡的移動，滿足太陽能硅晶片不同槽 間距的加工要求，其光束間距調(diào)節(jié)范圍為1 4mm。
全文摘要
一種太陽能硅晶片激光四線劃槽機，包括激光器、外設(shè)光路、可控的工作平臺。該激光四線劃槽機使用的是Nd:YAG激光器，其內(nèi)設(shè)有Q開關(guān)、全反鏡、半透半反鏡、光闌、輸出鏡、擴束鏡，經(jīng)過各光學(xué)元件，激光器內(nèi)形成四個對稱的諧振腔，在聲光Q開關(guān)調(diào)制下，每個諧振腔發(fā)出一束激光，分別入射到對應(yīng)的反射鏡，再經(jīng)過聚焦透鏡作用，形成光能量、光束間距均可調(diào)的四束激光，從而實現(xiàn)對太陽能硅晶片四線同步加工的目的。光束間距的調(diào)節(jié)是通過反射鏡組內(nèi)各個反射鏡的位置移動來調(diào)節(jié)的，滿足太陽能硅晶片不同槽間距的加工要求，其間距調(diào)節(jié)范圍為1～4mm。利用四束激光劃槽，生產(chǎn)率提高300％，可節(jié)約能源50％。
文檔編號B23K26/04GK101745746SQ20081024391
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者姚建銓, 朱超男, 王濤, 金仲偉, 陸晶, 馬貴蘭 申請人:無錫浩波光電子有限公司