提高效率和降低成本是光伏太陽(yáng)能行業(yè)的兩個(gè)永恒主題，激光技術(shù)因其快速、精確、零接觸以及良好的熱效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，在太陽(yáng)能硅電池的切割、劃線及表面加工、鉆孔、激光晶化等方面取得了重要應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外多家激光制造廠商和研究機(jī)構(gòu)都在積極發(fā)展各種新型激光技術(shù)及其在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的新應(yīng)用?；诎鼘映檫\(yùn)技術(shù)的高功率雙包層光纖激光器以其光束質(zhì)量好、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在太陽(yáng)能電池制造領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

1.脈沖光纖激光器

對(duì)于連續(xù)工作的光纖激光器，摻鐿光纖本身就是工作物質(zhì)，一般采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的F-P腔結(jié)構(gòu)，這樣無(wú)需在腔內(nèi)放置其他光學(xué)元件就可以獲得高功率的激光輸出。但如果從激光與物質(zhì)相互作用這一應(yīng)用目標(biāo)考慮時(shí)，連續(xù)波光纖激光所能提供的功率密度較低，熱量沉積明顯，窄脈寬、高峰值功率的脈沖光纖激光器應(yīng)用面更廣。

重復(fù)頻率為幾十到數(shù)百千赫茲、脈寬為十幾到幾十納秒、平均功率為數(shù)十瓦的脈沖激光在薄膜太陽(yáng)能電池制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用背景?？紤]到光纖激光本身的技術(shù)特點(diǎn)，以高性能小功率激光器為種子光源，以雙包層光纖為功率放大器的種子光－振蕩放大（MOPA）技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)指標(biāo)的理想方案。MOPA式脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

對(duì)于平均功率為數(shù)十瓦的MOPA式脈沖光纖激光器來(lái)說(shuō)，種子光源一般采用以下3種方式：

1）脈沖調(diào)制單模LD光纖級(jí)聯(lián)放大的種子光源技術(shù)。在這種技術(shù)中，通過(guò)對(duì)單模激光波長(zhǎng)在1060nm左右LD的脈沖調(diào)制，實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出，然后通過(guò)三級(jí)光纖放大（一般前兩級(jí)為單模光纖放大、后一級(jí)為雙包層光纖放大），實(shí)現(xiàn)滿足后續(xù)功率放大要求的種子激光輸出。對(duì)于脈沖調(diào)制的單模LD，其脈沖特性可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行方便設(shè)置和調(diào)節(jié)，重復(fù)頻率可從千赫茲到兆赫茲，脈沖寬度最小可為數(shù)納秒。

2）基于固體激光調(diào)Q的種子光源技術(shù)，也即小型化調(diào)Q的半導(dǎo)體抽運(yùn)固體激光器（DPSSL），可用光纖輸出的808nm單管LD抽運(yùn)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#Nd:YVO4或Nd:YVO4，通過(guò)聲光調(diào)Q技術(shù)，實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出。在這種方式中，也可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度小于20ns、重復(fù)頻率為數(shù)十千赫茲的脈沖輸出，但由于非光纖化器件使用不便。為了便于后續(xù)的光纖化功率放大，需對(duì)其輸出進(jìn)行單模光纖耦

3）基于光纖激光調(diào)Q的種子光源技術(shù)，同固體激光調(diào)Q類似，通過(guò)在光纖激光器腔內(nèi)插入調(diào)Q元件，實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出。在這種技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)種子光源的全光纖化，需采用尾纖化的聲光開(kāi)關(guān)作為調(diào)Q器件，并以光纖光柵作為諧振腔鏡。在這項(xiàng)技術(shù)中，由于光纖激光的腔較長(zhǎng)，一般獲得的激光脈沖寬度大于百納秒，通過(guò)采用高增益的有源光纖及腔倒空調(diào)Q等技術(shù)，在數(shù)十千赫茲時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)小于40ns的穩(wěn)定脈沖激光輸出。

在設(shè)計(jì)選用合適種子光源的基礎(chǔ)上，采用抽運(yùn)合束器實(shí)現(xiàn)抽運(yùn)光到放大光纖內(nèi)包層、信號(hào)光到放大光纖摻雜纖芯的高效率耦合，并應(yīng)注意在高抽運(yùn)功率時(shí)對(duì)耦合器的冷卻溫控。

摻鐿雙包層光纖的選擇應(yīng)充分考慮到ASE抑制和非線性效應(yīng)等問(wèn)題，為防止高功率抽運(yùn)時(shí)自脈沖對(duì)光纖本身和對(duì)抽運(yùn)合束器的損壞，光纖長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。對(duì)于切割、劃線及表面加工、晶圓鉆孔等應(yīng)用，加工表面的反射光對(duì)脈沖光纖放大器將會(huì)造成致命的損傷，通過(guò)在輸出端加置一光隔離器，可有效解決“返回光”對(duì)脈沖激光器的影響。

在高重復(fù)頻率脈沖光纖激光器研究方面，我們對(duì)上述3種方式的種子光源及其高功率放大特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以脈沖調(diào)制單模LD光纖級(jí)聯(lián)放大模塊為種子光源，設(shè)計(jì)和采用高增益雙包層光纖，實(shí)現(xiàn)了101W平均功率的全光纖化脈沖光纖激光器，重復(fù)頻率大于50kHz，脈沖寬度小于15ns。

與目前常用的工業(yè)用激光器相比，脈沖光纖激光器具有一系列的優(yōu)

1）輸出峰值功率可高達(dá)數(shù)百千瓦，波長(zhǎng)1.070μm附近，對(duì)大部分材料吸收效率較高。

2）體積小，重量輕，便于移動(dòng)。光束質(zhì)量好，接近衍射極限，聚焦光斑直徑較小(10~100μm)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的切割，從而能夠免去一些后期處理步驟。通過(guò)光纖輸出，易于與機(jī)械手配合，實(shí)現(xiàn)激光遠(yuǎn)距離加工。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3)總體光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25％～30％，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，維護(hù)方便，運(yùn)行成本低。

4)輸出脈沖參數(shù)可精確調(diào)節(jié)。采用MOPA放大的光纖激光器，可通過(guò)調(diào)節(jié)種子光控制激光器輸出參數(shù)。從而可根據(jù)材料的特點(diǎn)，選擇不同的波形、脈沖頻率等參數(shù)，對(duì)材料進(jìn)行精細(xì)加工，從而得到最佳加工效果。