Материал: EGo3HN0MRD

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

__________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

_____________________________________

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА В ПРОИЗВОДСТВЕ

ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2015

УДК 621.378.325

Лазерные технологии и лазерная обработка в производстве тонкопленочных солнечных модулей: методические указания к лабораторным работам / сост.: В. А. Парфенов, Д. Н. Редька. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. 28 с.

Содержат описание двух лабораторных работ, входящих в лабораторный практикум по физическим основам лазерных технологий. Рассмотрены процессы лазерной маркировки, осуществляемой с помощью азотного лазера, а также свойства акустооптического дефлектора. Выполнение работ служит закреплению и углублению знаний, полученных в теоретических курсах.

Предназначены для подготовки магистров по направлению 210100.68 – «Электроника и наноэлектроника» по образовательной программе 210144.68

– «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика» и подготовки бакалавров по направлению 210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» по профилю 210103.62 – «Квантовая и оптическая электроника», а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам специализирующимся в области лазерной обработки материалов.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

вкачестве методических указаний

©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015

2

ВВЕДЕНИЕ

В рамках задания № 1.1.1.2.10 «Разработка методических указаний к лабораторным работам по дисциплине «Лазерные технологии и лазерная обработка в производстве тонкопленочных солнечных модулей (ТПСМ)» по подпроекту № 1.1.1.2. «Разработка учебно-методических комплексов основных и дополнительных образовательных программ в рамках приоритетных научнообразовательных направлений «Электроника и наноэлектроника» и «Нанотехнологии и микросистемная техника» были разработаны две лабораторные работы и методические указания по их выполнению.

Методические указания к лабораторным работам содержат описание физических принципов лазерной маркировки, устройства и параметров азотного лазера, а также свойств и выходных характеристик акустооптического дефлектора. Рассмотренные в указаниях вопросы одинаково важны как для учебной дисциплины «Лазерные технологии и лазерная обработка в производстве тонкопленочных солнечных модулей», ориентированной на подготовку магистров по направлению 210100.68 – «Электроника и наноэлектроника» по образовательной программе 210144.68 – «Солнечная гетероструктурная фотоэнергетика», так и для дисциплины «Лазерные и оптико-электронные системы», ориентированной на подготовку бакалавров по направлению 210100.62 – «Электроника и наноэлектроника» по профилю 210103.62 – «Квантовая и оптическая электроника», что позволяет использовать одни и те же лабораторные работы при обучении студентов по указанным дисциплинам.

3

Лабораторная работа 1

ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ С ПОМОЩЬЮ АЗОТНОГО ЛАЗЕРА

Цель работы: изучение физических принципов лазерной маркировки.и лазерного скрайбирования; исследование энергетических характеристик излучения азотного лазера.

1.1. Общие сведения о лазерной маркировке

Лазерная маркировка наряду со сверлением и с пробивкой отверстий относится к технологическим операциям, основанным на удалении части обрабатываемого материала. Лазерная маркировка представляет собой процесс нанесения текстовых и графических изображений на поверхность изделий воздействием высокоинтенсивным лазерным излучением, которое удаляет часть материала (толщиной, как правило, до 100 мкм).

При помощи лазеров можно маркировать самые различные материалы: металл, дерево, оргстекло, пластмассу, акрил, стекло, резину, кожу и т. д. Гравировку чаще всего наносят на металл (обычно на изделия из углеродистой и нержавеющей стали), керамику, оргстекло и акрил.

Нанесение рисунков и надписей осуществляется сканированием сфокусированным лазерным пучком по обрабатываемой поверхности. Это достигается либо при помощи скоростных двухосевых гальванометрических сканаторов (представляющих собой систему из двух электромеханических зеркал), либо с помощью так называемого проекционного метода. В последнем случае лазерный луч, форма сечения которого задается при помощи специальной маски, проецируется на обрабатываемую поверхность в нужном масштабе для получения изображения, повторяющего форму маски.

Оптическая схема проекционного метода нанесения рисунков и цифр изображена на рис. 1.1. Лазерный луч освещает металлическую маску, в которой выполнены фигурные отверстия (например, в виде цифр), с помощью объектива проецирующиеся на обрабатываемую поверхность.

По сравнению с проекционным методом сканирование лазерным пучком имеет ряд существенных преимуществ, в частности, оно позволяет наносить сложные контурные и растровые изображения и встраивать лазер в состав технологических линий для работы в автоматическом режиме.

4

3

Рис. 1.1. Оптическая схема проекционного метода маркировки:

1 – лазер; 2 – расширитель пучка; 3 – маска; 4 – фокусирующий объектив; 5 – поверхность обрабатываемого изделия

Для маркировки обычно применяют непрерывные CO2- или частотнопериодические YAG:Nd-лазеры (работающие на основной длине волны 1,064 мкм в режиме модулированной добротности с высокой частотой повторения импульсов (0,5…100 кГц)), генерирующие одномодовое (ТЕМ00) излучение с малой расходимостью (4…15 мрад) и выходной мощностью в диапазоне 10…16 Вт. Однако в последнее время все более широкое применение в задачах лазерной маркировки получают импульсно-периодические волоконные иттербиевые лазеры с длиной волны 1,06 мкм.

Типичные скорости лазерной маркировки некоторых материалов:

–древесина – 100…400 мм/c;

–стекло – 30…100 мм/c;

–оргстекло – 50…200 мм/c.

1.2Применение лазерной микрообработки

впроизводстве тонкопленочных солнечных модулей

Одно из основных применений лазеров в современном производстве солнечных батарей – формирование линий контактных соединений отдельных секций данных устройств. Следует заметить, что современные солнечные батареи – это сложные многослойные структуры, состоящие из слоев меди, индия, галлия и селенида, стекла и аморфного кремния и находящиеся между двумя электродами. При формировании контактных подключений используется технология лазерного скрайбирования, которая служит для разделения (сегментирования) модуля на индивидуальные ячейки и их последовательного соединения друг с другом с целью создания общей электрической цепи протекания тока. Отдельная задача, которая также решается с помощью лазерного скрайбирования, – это электрическая изоляция отдельных ячеек за

5