Violino Green (Italian)

Laser 532 nm per il micro-material processing (Italian)

Il nuovo laser verde, derivante dalla seconda armonica, end pumped di Laservall: Violino Green.

Laservall spa produce un laser OEM, il “Violino Green”, pompato a diodi e raffreddato ad aria con potenza media di 12W, funzionante in regime di Q-Switch in singolo modo traverso (TEM00). Il laser grazie alla duplicazione di frequenza (generazione di seconda armonica) emette radiazione nel verde, alla lunghezza d’onda 532nm, caratterizzato da una elevata pulse-to-pulse stability (< 1.9% a 12W in regime di Q-Switch), e risoluzione spaziale (<30 μm con una focale 100 mm).

Comparazione tra la frequenza nel verde e nell’infrarosso.

Il laser a stato solido (DPSS (Diode Pump Solid State)), con lunghezza d’onda nel visibile (532nm) è estremamente utile in differenti applicazioni nel “micro-material processing” come ad esempio il “silicon wafer marking”, il “solar cell scribing”, il “cutting”, il “microdirilling” e presenta numerosi vantaggi rispetto al tradizionale laser infrarosso.
Il vantaggi del nuovo laser “Violino Green”

I vantaggi dell’utilizzo di un laser a 532 nm rispetto alla tradizionale lunghezza d’onda infrarossa 1064 nm sono:

1. Il laser a 532nm permette una migliore focalizzazione del laser a 1064 nm. Ciò è dovuto alla minore lunghezza d’onda, che determina un diametro di focalizzazione inferiore del 50% rispetto a quello ottenibile con un laser a 1064nm operando alle stesse condizioni.
2. Il laser a 532nm permette la lavorazione di una vasta gamma di materiali grazie alla differente interazione della radiazione verde con la materia. E’ noto ad esempio che materiali quali i semiconduttori ( es. Si) presentano un basso assorbimento alla radiazione IR mentre assorbono molto piu’ efficacemente la radiazione a 532nm.
3. Oltre ai semiconduttori anche una vasta gamma di materie plastiche, che non interagiscono con la lunghezza d’onda infrarossa, interagiscono con il laser a 532nm, e pertanto possono essere efficacemente marcate con il Violino Green
4. Un altro ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che la lunghezza d’onda di 532nm, comparata all’infrarosso, genera un effetto termico minore nel materiale sottoposto a lavorazione, oltre a ridurre lo stress meccanico particolarmente critico nella lavorazione di sottili fogli metallici.

Per questi motivi, Laservall spa, sfruttando la sua consolidata esperienza nella produzione di DPSS laser, prendendo le principali caratteristiche delle sorgenti infrarosse prodotte in grandi quantità ( > 10000 unità prodotte dal 2000 ), quali affidabilità caratteristica di un prodotto per applicazioni industriali, efficienza e stabilità, e sfruttando le sue profonde conoscenze della tecnica di generazione di seconda armonica ha potenziato la famiglia “Violino” sviluppando un laser nel verde caratterizzato da:

1. Elevata efficienza a 532 nm in un ampio range di Q-switch frequency
2. Eccellente Qualità del fascio con conseguente Elevata focalizzazione dello spot laser.
3. Elevata Pulse-to-Pulse stability

Caratteristiche peculiari del “Violino Green”

Il principale vantaggio del “Violino Green intracavity” è l’elevata efficienza di conversione in frequenza (> 70% nel processo1064nm→532nm e complessivamente efficienza di conversione ottico ottico 808nm→532nm >25%) particolarmente apprezzabile nel funzionamento ad elevate frequenze di Q-Switch (Figura 1). In particolare in un range di frequenza tra 30 kHz e 100 kHz la potenza emessa è praticamente costante al livello di 12 W. Inoltre ad alte frequenze di Q-Switch (i.e. 100 kHz) la potenza del laser risulta essere ancora di 11W, solo dell’8% inferiore rispetto al valore massimo, mentre in un tipico prodotto commerciale basato su duplicazione in frequenza “Extracavity” la potenza emessa a 100kHz risulta essere limitata al 30% della potenza massima, tipicamente ottenuta a 30 kHz Questa caratteristica, unica del “Violino Green” di Laservall S.p.A. lo rende ideale per applicazioni di marcatura ed in generale per lavorazioni caratterizzate da elevate velocità di processo.
L’elevata efficienza del “Violino Green Intracavity” è accompagnata da una ineguagliata “pulse-to-pulse” stability che risulta essere < 1% (r.m.s.) Oltre a tale misura che è normalmente misurata in condizioni di funzionamento stazionario ad un fissato valore di frequenza di ripetizione, Laservall fornisce la misura diretta della pulse-to-pulse stability in un regime che simuli il più possibile un reale processo industriale.Cioè è stata misurata la stabilità dell’impulso laser in un regime di “burst mode”. La modalità “burst” permette di simulare un reale processo industriale nel quale l’azione del laser è “on” per un certo intervallo di tempo ed è “off” nell’intervallo temporale successivo. Il “burst mode” è definito introducendo un “duty cycle” (DC) e una “periodo ” (P). In questa condizione è stato valutata la pulse-to-pulse stability” variando: l’emissione di potenza laser (Pout), la frequenza di Q-switched (f), e il duty cycle (DC). Inoltre la “pulse-to-pulse stability” è stata monitorata per un lungo intervallo di tempo in un ambiente termicamente non controllato. La Tabella 1 mostra che la “pulse-to-pulse stability” del Violino Green è < 1.9% e non solo, variando la potenza di emissione e la frequenza di Q-Switched tale valore non varia apprezzabilmente. L’eccellente performance della “pulse-to-pulse” stability del Violino Green è anche dimostrata dal fatto che durante un periodo operativo (sempre in “burst mode”) di lunga durata ( qui 5 ore) il valore della pulse-to-pulse” stability rimane costante con fluttuazioni dello 0,02%. Durante questa misura nel tempo in aggiunta alla “pulse-to-pulse stability” sono state stimate anche le fluttuazione della potenza d’uscita.
L’elevata efficienza laser e l’elevata “pulse-to-pulse” stability sono accompagnate da uno spot size < 30 μm che rende ancora una volta il” Violino Green” di Laservall un sistema estremamente adatto a micro-lavorazioni.

Tabella 1

Il green laser nel processo di produzione delle Thin –Film Solar Cells

Le peculiari ed eccellenti proprietà del Violino Geen di Laservall, precedentemente esposte, lo rendono idoneo per lavorazioni nel micro-material processing. Unito al laser DPSS operante nell’infrarosso può apportare un utile contributo nel processo produttivo delle celle solari. Uno dei processi utilizzati in tale ambito è il thin-film solar cells. Tale lavorazione prevede successive operazioni di incisione, deposizione e rimozione di strati estremamente sottili senza intaccare il materiale sottostante. Si presenta infatti la necessità di (1) rimuovere selettivamente e con estrema precisione pochi micron di ossido di Indio che costituiscono il coating del supporto di vetro (ITO-glass), per procedere poi (2) allo scribing del silicio semiconduttore deposto chimicamente in una fase successiva per creare infine (3) l’interconnessione tra le varie celle mediante il patterning dell’elettrodo posteriore di alluminio. La fig.5 riporta in maniera schematica le varie fasi necessarie alla realizzazione di un pannello solare di silicio amorfo prodotto con la tecnologia del thin-film.

Fig.1 - Fasi di Ablation –Scribing e Patterning per ottenere la cella solare

Le Sorgenti laser impiegate in questo delicato processo devono possedere, oltre ad una eccellente qualità del fascio ed alle lunghezze d’onda nell’infrarosso (1064nm) e nel verde (532nm), delle caratteristiche molto stringenti in relazione sia alla durata dell’impulso(15-35 ns) sia alla sua stabilità( <1-2%).

Fig.2 - Sorgenti Laservall IR e Green modello Violino™

Conclusione: Nel settore del Fotovoltaico, Laservall S.p.A., con i laser DPSS Violino IR e Violino Green ,offre le sorgenti OEM più adatte per affrontare l’integrazione in linea dell’ “utensile laser “ per la produzione di Celle Solari .