CN208674581U - 一种多通道皮秒激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道皮秒激光器，其包括有一光纤皮秒种子源，光纤皮秒种子源输出的皮秒激光经过一脉冲选单模块进行脉冲选取处理后，通过第一分光单元分成第一路分支激光和第二路分支激光，其中：第一路分支激光依次经过第一路板条放大单元、第一光束整形单元和第一倍频单元处理后，通过第一输出单元输出A路激光；第二路分支激光依次经过二次脉冲选单模块、预放大单元、第二路板条放大单元、第二光束整形单元、第二倍频单元和第二分光单元进行处理后，通过第二输出单元输出B路激光、C路激光和D路激光。本实用新型含有4路皮秒激光输出，可降低薄膜太阳能光伏电池的生产成本，以及提高生产效率。

Description

一种多通道皮秒激光器

技术领域

本发明涉及皮秒激光器，尤其涉及一种多通道皮秒激光器。

背景技术

薄膜太阳能光伏电池在生产制造过程中，在每层薄膜沉积后，均需对膜层进行刻蚀，使各个电池之间串联起来(即我们常说的P1/P2/P3制程)，这样，就能够根据电池宽度设定电池和模块的电流。同时，利用激光或其他方式对指定位置进行清边绝缘操作，以实现电池间的绝缘性。

目前皮秒激光器用于薄膜太阳能光伏电池的生产制程效果最好。相对于纳秒激光光源来讲，皮秒激光具有更高的峰值功率，它与材料相互作用时，刻蚀部分热影响很小，产生“冷”加工的效果，避免不必要的热效应，无热影响区，且边缘光滑。但是，市面上常见的皮秒激光器绝大多数是单一波长输出，极少数厂家生产可以双波长切换输出的光源，而在薄膜太阳能光伏电池生产制造过程中，需要用到4种不同的激光参数，这样的话，需要配套最少3台皮秒激光器，而单台皮秒激光器的价格已经十分昂贵，一般企业很难承受如此大的生产成本压力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种含有4路皮秒激光输出，可用于执行薄膜太阳能光伏电池生产过程中的P1制程、P2制程、P3制程以及清边操作，进而降低企业的生产成本、提高生产效率的多通道皮秒激光器。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种多通道皮秒激光器，其包括有一光纤皮秒种子源，所述光纤皮秒种子源输出的皮秒激光经过一脉冲选单模块进行脉冲选取处理后，通过第一分光单元分成第一路分支激光和第二路分支激光，其中：所述第一路分支激光依次经过第一路板条放大单元、第一光束整形单元和第一倍频单元处理后，通过第一输出单元输出A路激光；所述第二路分支激光依次经过二次脉冲选单模块、预放大单元、第二路板条放大单元、第二光束整形单元、第二倍频单元和第二分光单元进行处理后，通过第二输出单元输出B路激光、C路激光和D路激光。

优选地，所述光纤皮秒种子源与二次脉冲选单模块之间设有一同步延时器，所述同步延时器用于实现二次脉冲选单模块输入的第二路分支激光与光纤皮秒种子源输出的皮秒激光脉冲同步。

优选地，所述A路激光的参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥2.5W(@500kHz)，单脉冲能量≥5μJ，工作频率为500kHz，脉冲宽度≤15ps@500kHz，光束质量为M²≤1.3。

优选地，所述B路激光的参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥2.5W(@50kHz)，单脉冲能量50μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量为M²≤1.3。

优选地，所述C路激光参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥50mW(@50kHz)，单脉冲能量≥1μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量M²≤1.3。

优选地，所述D路激光的参数为：波长1064nm，输出功率Pmax≥1.5W(@50kHz)，单脉冲能量≥30μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量M²≤1.3。

本发明公开的多通道皮秒激光器，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明通过板条放大技术、双晶串联光开关技术以及MOPA放大光路，开发出多通皮秒固体激光器，含有四路皮秒激光输出，每一路激光均对应薄膜太阳能光伏电池的一个生产制程，单台激光器即可满足整个生产过程对激光的需求，大大降低了企业的生产线成本，有效提高了生产效率，因此适合在本领域内推广应用，并具有较好的市场前景。

附图说明

图1为本发明多通道皮秒激光器的组成框图。

图2为薄膜太阳能光伏电池结构示意图。

图3为P1制程、P2制程、P3制程切割效果及电流走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种多通道皮秒激光器，请参照图1，其包括有一光纤皮秒种子源1，所述光纤皮秒种子源1输出的皮秒激光经过一脉冲选单模块2进行脉冲选取处理后，通过第一分光单元3分成第一路分支激光和第二路分支激光，其中：

所述第一路分支激光依次经过第一路板条放大单元4、第一光束整形单元5和第一倍频单元6处理后，通过第一输出单元7输出A路激光；

所述第二路分支激光依次经过二次脉冲选单模块8、预放大单元9、第二路板条放大单元10、第二光束整形单元11、第二倍频单元12和第二分光单元13进行处理后，通过第二输出单元14输出B路激光、C路激光和D路激光。

本发明优选采用板条放大技术，相对于传统的棒状或块状的增益介质，板条晶体增益介质的厚度只有1mm，实现了近似一维的温度梯度分布，这种结构大大缓解了晶体的热效应，并且晶体采用铟焊方式与热沉结合，更加充分有效地进行热传导，理论上温度梯度只存在于1mm的厚度方向，而在垂直方向上温度分布近似均匀，因此这种方式可以承受400W以上的泵浦功率。同时，由于晶体的热效应很小，输出的激光光束质量得到很大改善，大量的实验数据表明输出为百瓦级的基频光，光束质量小于1.3。其次，由于板条晶体的通光孔径为1mm厚，10mm以上的宽度，因此在多程板条放大过程中被放大的信号光被整形成为一个长椭圆形光斑，不但可以保证良好的模式匹配，还降低了光斑峰值功率密度，确保光学元件不会受到损伤。此外，本发明采用高功率LD(半导体激光器)阵列泵浦，可以实现高功率激光输出，从而保证了每一路有足够的激光功率，而激光器本身的结构只是单台激光器，而非简单的四台激光器集成在一个机壳内部。

本实施例中，对激光器各路输出控制的光开关，要求有足够的开关速度(几百微秒量级)，还要保证在激光关断状态下没有激光漏出。虽然电光开关速度很快，但由于热效应及应力形变，电光晶体会出现对激光的退偏，导致在关断状态下的激光漏出。本发明通过独有的普克尔盒装配技术——双晶串联光开关，可以将工作电压减半，实现了对退偏效应的消除，保证了电光开关的良好工作模式。同时，这种低电压的普克尔盒可以有效保护电光晶体，同时扩展了激光重复频率范围。

本发明公开的多通道皮秒激光器，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明通过板条放大技术、双晶串联光开关技术以及MOPA放大光路，开发出多通皮秒固体激光器，含有四路皮秒激光输出，每一路激光均对应薄膜太阳能光伏电池的一个生产制程，单台激光器即可满足整个生产过程对激光的需求，大大降低了企业的生产线成本，有效提高了生产效率，因此适合在本领域内推广应用，并具有较好的市场前景。

作为一种优选方式，所述光纤皮秒种子源1与二次脉冲选单模块8之间设有一同步延时器15，所述同步延时器15用于实现二次脉冲选单模块8输入的第二路分支激光与光纤皮秒种子源1输出的皮秒激光脉冲同步。

本实施例中，各路激光参数如下：

所述A路激光的参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥2.5W(@500kHz)，单脉冲能量≥5μJ，工作频率为500kHz，脉冲宽度≤15ps@500kHz，光束质量为M²≤1.3；

所述B路激光的参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥2.5W(@50kHz)，单脉冲能量50μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量为M²≤1.3；

所述C路激光参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥50mW(@50kHz)，单脉冲能量≥1μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量M²≤1.3；

所述D路激光的参数为：波长1064nm，输出功率Pmax≥1.5W(@50kHz)，单脉冲能量≥30μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量M²≤1.3。

本发明优选应用于薄膜太阳能光伏电池的整个生产过程，请参照图2，薄膜太阳能光伏电池以PI(聚酰亚胺)材料作为衬底，一般采用直流磁控溅射法沉积Mo(钼)作为支持层。而CIGS(CuInxGa(1-x)Se₂，Cu为铜，In为铟，Ga为镓，Se硒)薄膜的生长则采用三步共蒸发。先采用水浴法沉积CdS(硫化镉)薄膜，接着溅射双层的ZnO(氧化锌)薄膜，再用电子束蒸发制备Ni/Al(镍/铝)电极，最后上面再覆盖一层增透膜MgF₂(氟化镁)。

在生产过程中，每沉积一种或几种材料之后，均需利用激光对材料进行去除，以实现最终电池的正常工作。一般将薄膜太阳能光伏电池的生产过程分为3个制程，以及一个清边操作。

请参照图3，图3中带箭头的黑色线条指的是电流的走向，其中：

P1是在基板上制备好背电极Mo(一般采用磁控溅射的方法)之后，对其进行划线，即将基板上面的Mo电极进行分割，要求刻蚀掉Mo层，但不损坏衬底PI，使其后续作为子电池，便于串联。

P2是制备好吸收层CIGS及缓冲层CdS后，对该部分薄膜进行划线，要求将非晶硅膜层(即CIGS吸收层)完全刻蚀掉，但不损坏背电极Mo和衬底，便于实现后续的串联。

P3是制备前电极、窗口层(氧化锌)，制备好窗口层后对该层进行划线，要求将窗口层去除，但不损坏背电极Mo和衬底，以实现电池的分离。之后再制备前电极。

利用激光对指定位置进行清边绝缘操作，要求切割的边缘光滑且具有一定的宽度，保证电池间的绝缘性。经过上述四个步骤之后，薄膜太阳能光伏电池即可正常工作。四个步骤需要的激光参数各不相同，分别如下：

P1制程：波长：532nm；输出功率：Pmax≥2.5W(@50kHz)；单脉冲能量50μJ；工作频率：50kHz；脉冲宽度：≤15ps@50kHz；光束质量为M²≤1.3；

P2制程：波长：532nm；输出功率：Pmax≥2.5W(@500kHz)；单脉冲能量≥5μJ；工作频率：500kHz；脉冲宽度：≤15ps@500kHz；光束质量为M²≤1.3；

P3制程：波长：532nm；输出功率：Pmax≥50mW(@50kHz)；单脉冲能量≥1μJ；工作频率：50kHz；脉冲宽度：≤15ps@50kHz；光束质量为M²≤1.3；

清边：波长：1064nm；输出功率：Pmax≥1.5W(@50kHz)；单脉冲能量≥30μJ；工作频率：50kHz；脉冲宽度：≤15ps@50kHz；光束质量为M²≤1.3。

相比现有技术而言，本发明利用一台激光器即可满足薄膜太阳能光伏电池的整个生产过程，大大降低了生产线的成本，显著提高了企业的综合竞争力。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种多通道皮秒激光器，其特征在于，包括有一光纤皮秒种子源(1)，所述光纤皮秒种子源(1)输出的皮秒激光经过一脉冲选单模块(2)进行脉冲选取处理后，通过第一分光单元(3)分成第一路分支激光和第二路分支激光，其中：

所述第一路分支激光依次经过第一路板条放大单元(4)、第一光束整形单元(5)和第一倍频单元(6)处理后，通过第一输出单元(7)输出A路激光；

所述第二路分支激光依次经过二次脉冲选单模块(8)、预放大单元(9)、第二路板条放大单元(10)、第二光束整形单元(11)、第二倍频单元(12)和第二分光单元(13)进行处理后，通过第二输出单元(14)输出B路激光、C路激光和D路激光。

2.如权利要求1所述的多通道皮秒激光器，其特征在于，所述光纤皮秒种子源(1)与二次脉冲选单模块(8)之间设有一同步延时器(15)，所述同步延时器(15)用于实现二次脉冲选单模块(8)输入的第二路分支激光与光纤皮秒种子源(1)输出的皮秒激光脉冲同步。

3.如权利要求1所述的多通道皮秒激光器，其特征在于，所述A路激光的参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥2.5W@500kHz，单脉冲能量≥5μJ，工作频率为500kHz，脉冲宽度≤15ps@500kHz，光束质量为M²≤1.3。

4.如权利要求1所述的多通道皮秒激光器，其特征在于，所述B路激光的参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥2.5W@50kHz，单脉冲能量50μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量为M²≤1.3。

5.如权利要求1所述的多通道皮秒激光器，其特征在于，所述C路激光参数为：波长532nm，输出功率Pmax≥50mW@50kHz，单脉冲能量≥1μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量M²≤1.3。

6.如权利要求1所述的多通道皮秒激光器，其特征在于，所述D路激光的参数为：波长1064nm，输出功率Pmax≥1.5W@50kHz，单脉冲能量≥30μJ，工作频率为50kHz，脉冲宽度≤15ps@50kHz，光束质量M²≤1.3。