Dpss-Laserkann in 12 Bereichen eingesetzt werden, heute stellen wir vier Anwendungsbereiche und deren Prinzipien vor
9. Photovoltaik-Inspektion
Laserbasierte Techniken in der Photovoltaik-Inspektion offenbaren eine Vielzahl von Materialeigenschaften und werden in der gesamten Industrie häufig eingesetzt. Messungen wie Oberflächenreflexion, Tiefenfallen, Trägerdiffusion, Kristallstruktur und -grenzen, Tiefe und Temperatur des Übergangstyps, Lichtabsorption und -streuung sowie Photonenabbau wirken sich alle auf die Effizienz von Solarzellen aus und können durch eine Reihe optischer Prozesse gemessen werden .
Der größte Teil der Photovoltaik-Herstellung erfolgt aus Silizium; Forscher suchen jedoch nach einer günstigeren und effizienteren Alternative – Perowskit. Im letzten Jahrzehnt ist der Wirkungsgrad der Stromumwandlung von Perowskit-Solarzellen von weniger als 4 Prozent auf fast 30 Prozent gestiegen, was für großes Aufsehen gesorgt hat. Eine kleine Menge Perowskit-Material kann die gleiche Menge Sonnenenergie erzeugen wie ein paar Tonnen Silizium. Als Halbleiter mit direkter Bandlücke eignen sich Perowskite ideal für Solarzellen. Perowskit ist erschwinglich, nachhaltig und effizient und hat das Potenzial, Silizium auf dem PV-Markt zu überholen. Die Perowskit-Effizienz wurde jedoch nur an winzigen Proben gemessen und ist noch nicht kommerziell realisierbar.
Einzelfrequenzlaser bieten eine effiziente, berührungslose Alternative zu teuren Lithographieschritten, und mit den richtigen Lasereigenschaften und Wellenlängen können diese Lichtquellen auch diese neuartigen Materialien prüfen, verändern und aktivieren. Um hohe Erträge bei geringeren Kosten zu erzielen, ist eine Lichtquelle mit hoher räumlicher Auflösung, hervorragender Strahlqualität und langfristiger Leistungsstabilität erforderlich. Beispielsweise kann die Photolumineszenz (PL)-Bildgebung zur efferenten Qualitätskontrolle (Wafer-Hersteller) und zur afferenten Qualitätskontrolle (Batteriehersteller) eingesetzt werden, wobei für diesen Zweck häufig Nahinfrarot-Laser (NIR) als kostengünstige Lichtquellen eingesetzt werden. Laser im ultravioletten (UV) Bereich bieten Flexibilität für Materialcharakterisierungs- und Verarbeitungsschritte. Wie bei der Halbleiterverarbeitung wird UV-Licht in verschiedenen Messschritten und Techniken für die Inspektion von Photovoltaikzellen verwendet, wobei die kürzere Wellenlänge die Analyse erhöhter Oberflächenkomplexität ermöglicht und die Hochleistungs-UV-Quelle beschädigte Materialien auf der Substratbarriere abstrahlt oder abträgt.
Einfrequenzlaser decken den NIR- bis UV-Bereich ab und sind in ihren Eigenschaften speziell auf die Anwendbarkeit dieser optischen Verfahren ausgelegt.
Strahlqualität: umfasst Größe, Form, Stabilität und Intensität des Laserstrahls. Ein einzelner transversaler Modenstrahl (TEM 00) ist für die Charakterisierung von PV-Zellen unerlässlich und ermöglicht eine hohe räumliche Kontrolle. Hervorragende Strahlform, stabile Richtung und geringe Elliptizität für konsistente Verarbeitung und Erkennung.
Geringes Rauschen: PV-Zellen und Wafer-Erkennungslaser müssen geringes Rauschen abgeben, um Erkennungsfehler zu minimieren und eine ungenaue Charakterisierung zu verhindern. Der niedrige Rauschpegel in Kombination mit der schmalen Linienbreite verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und erhöht die Mess- und Erkennungsempfindlichkeit.
Stabilität: Um die Konsistenz von Batterie zu Batterie und von Panel zu Panel sicherzustellen, benötigt der Laser außerdem eine hervorragende Spektral- und Leistungsstabilität, um hochauflösende Messungen durchzuführen und Fehler bei Langzeitmessungen zu vermeiden.
10. Gittermeisterproduktion
Optische Beugungsgitter sind häufig verwendete Geräte zur Messung der Wellenlänge von Licht und bestehen aus einer Reihe regelmäßig beabstandeter Beugungselemente – nämlich Lücken und Grate –, die abwechselnd die Phase und Amplitude des einfallenden Lichts beeinflussen können. Ein praktisches Beispiel für Gitter ist ihre Verwendung in Spektrometern. Der Eintrittsspalt befindet sich in der Brennebene der Linse und lässt das einfallende Licht durch und wird parallel. Das Licht trifft dann auf das Gitter, sodass das einfallende Licht in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt wird und die Intensitätsverteilung direkt beobachtet oder mit einem Photometer aufgezeichnet werden kann.
Gitter können im Transmissions- oder Reflexionsmodus angeordnet werden und werden häufig in einer Vielzahl unterschiedlicher Lasersysteme eingesetzt. Diese Gitter werden innerhalb und außerhalb des Resonators zur Wellenlängenselektion, Strahltrennung, Strahlformung und Polarisation installiert. Hochleistungslasergitter zeichnen sich durch ihre Zerstörschwellen bei bestimmten Wellenlängen sowie ihre hohe Pulsbreite, Wiederholrate und Beugungseffizienz in Polarisationsrichtung aus.
Holographische und Interferenzlithographieverfahren sind bei der Gitterherstellung üblich, qualitativ hochwertige Spektralgitter können jedoch nur durch den Einsatz hochauflösender Beschichtungen und kurzwelliger Laser erhalten werden. Ein Gitter kann durch Zeichnen eines feinen Laserinterferenzfelds auf der Lithoresistschicht erzeugt werden, wobei Interferenzwellen durch die Amplitudenteilung einer Wellenfront oder eines kohärenten Laserstrahls erzeugt werden können – am häufigsten Laser im Single-Mode-Betrieb.
Die Gesamteffizienz und Qualität eines auf diese Weise erzeugten Gitters hängt von mehreren Eigenschaften der verwendeten Lichtquelle ab, wie z. B. Wellenlänge und Polarisation, und die folgenden Parameter sollten bei der Auswahl eines geeigneten Lasers für die Herstellung von Gittermastern berücksichtigt werden:
Hohe Leistung: In der Regel sind kürzere Belichtungszeiten erforderlich, da dadurch schädliche äußere Einflüsse wie Vibrationen reduziert werden. Daher wird eine höhere Lichtintensität bevorzugt.
Leistungsstabilität: Schwankungen der Ausgangsleistung während des Produktionsprozesses können das Interferogramm verstärken und zu Ungenauigkeiten führen. Daher sind eine ultrastabile Ausgangsleistung und ein nicht wahrnehmbares Leistungsrauschen sehr wichtig, um die Qualität der Gittermutterscheibe sicherzustellen.
Strahlqualität: Hervorragende Strahlqualität und Ausrichtungsstabilität sind ebenfalls Schlüsselparameter für eine konsistente und genaue Analyse.
11. Brillouin-Streuung
Der Brillouin-Effekt ist eine inelastische Streuung, die durch die parametrische Wechselwirkung von Photonen mit thermischen Phononen verursacht wird, wie sie in der Raman-Spektroskopie zu finden ist, obwohl sie hier durch die Wechselwirkung von Licht mit Phononen verursacht wird, die im akustischen Bereich schwingen; Oft Schallwellen genannt. Diese dynamischen thermischen Schwankungen können zu Änderungen der Dielektrizitätskonstante und des Brechungsindex des Trägermaterials führen, was zu schwachen inelastischen Streueffekten beim Durchgang von Photonen führt. Diese inelastische Wechselwirkung verursacht eine Frequenzänderung innerhalb des einfallenden Lichts, proportional zur relativen Geschwindigkeit des Phonons, was zu einer Energieänderung oder Stokes-Verschiebung führt, die aufgrund von Vergleichen zwischen der Schallgeschwindigkeit mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Raman-Verschiebung und die Lichtgeschwindigkeit.
Bei Raman hängt diese Stokes-Verschiebung mit spezifischen Schwingungs- und Rotationswechselwirkungen auf molekularer Ebene zusammen, während die Brillouin-Verschiebung das Ergebnis makroskopischer, niederfrequenter Wechselwirkungen mit dem Volumenmedium ist, wo nichtlineare Effekte am häufigsten durch Elektrostriktion verursacht werden. Diese Stokes-Verschiebung kann auch durch Änderungen in der Ladungsstruktur (Polaron) oder ihrer magnetischen (Magneton) Schwingung verursacht werden. Photonen können Energie verlieren, was zu einer Bewegung in Richtung einer längeren Wellenlänge führt, oder Energie gewinnen, was zu einer kürzeren Wellenlänge führt (Anti-Stokes).
Bei geringer Laserleistung können diese Brillouin-Effekte spontan auftreten, bei höheren Leistungsintensitäten kann dieser Effekt jedoch direkt durch angeregte Photonen angeregt werden, was als stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) bezeichnet wird. SBS bewirkt, dass im Trägermaterial Schallwellen erzeugt werden, die sich in der gleichen Richtung wie der einfallende Strahl ausbreiten, und die gestreuten und sich bewegenden Photonen werden reflektiert oder in Richtung des einfallenden Strahls zurückreflektiert. Diese Streuung kann analysiert werden, um verschiedene elastische Eigenschaften von Submikronfilmen und -proben sowie Oberflächeneigenschaften von Massenmaterialien zu bestimmen, und wird für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt; Beispiele hierfür sind Geologie, Biologie und Biowissenschaften, Öl und Gas, Telekommunikation und mehr. Beispielsweise ist es dieser stimulierte Rückreflexionseffekt, der die gesamte optische Leistung begrenzt, die in die Faser eingekoppelt werden kann. Dieser Effekt wird auch häufig bei der optischen Phasenkonjugation genutzt, wo Phasenkonjugationsspiegel (PCM) verwendet werden, um thermische Verzerrungen in Laserkristallen zu korrigieren und mehr Gaußsche Strahlformen zu erzeugen.
Da der Streueffekt sehr schwach ist und die Stokes-Verschiebung nur wenige Pikometer beträgt, ist der verwendete Anregungslaser entscheidend. Der Laser muss eine extrem schmale Linienbreite und eine große Kohärenzlänge haben, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse des Brillouin-Streueffekts klar mit guter Auflösung und gutem Signal-Rausch-Verhältnis beobachtet werden.
12. Interferometrie
Unter Interferometrie versteht man eine umfassende Technik, die auf der Überlagerung zweier kohärenter Lichtpfade beruht, die meist von einer einzelnen Lichtquelle getrennt sind, um ein Interferenzmuster zu bilden. Diese Interferenz wird durch einen Unterschied im Pfad zwischen zwei Strahlen, einem Referenzlichtpfad und einem einfallenden Probenlichtpfad, verursacht, was zu einer messbaren Änderung des Streifenmusters führt. Diese Messtechnik kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden – von einfachen Abstands- oder Oberflächenmessungen über Strukturen und Spannungen bis hin zu Gravitationswellenmessungen.
Theoretisch ist der typische Versuchsaufbau sehr einfach. Der hochstabile kohärente Laser wird in zwei Teile geteilt, um separate und identische Strahlen zu erzeugen. Einer ist ein Referenzarm mit fester Bahn, während der andere einen beweglichen Einfallsstrahl der Probe bildet. Zunächst sind die beiden Lichtstrahlen in Phase und stammen von derselben kohärenten Quelle. Wenn die beiden Pfade gleich lang sind, sind sie beim Erreichen des Detektors immer noch in Phase. Eine geringfügige Abweichung im Weg des Probenstrahls ändert jedoch seine Phase in Bezug auf den Referenzstrahl und führt somit zu entsprechenden Abweichungen im Interferenzmuster. Diese Abweichungen im Interferenzmuster sind messbare Ergebnisse.
Bei der Auswahl der richtigen Lichtquelle für die Interferometrie sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen:
Erstens benötigt die Lichtquelle hyperspektrale Stabilität, um sicherzustellen, dass die Musteränderung durch die Probe und nicht durch den Lasereffekt verursacht wird. Längere Kohärenzlängen und damit schmalere Linienbreiten bestimmen teilweise die Auflösung der Messung, berücksichtigen aber auch die verwendete Wellenlänge.
Eine hohe Stabilität der Strahlausrichtung gewährleistet konsistente Messungen am ausgewählten Probenort, während eine hohe Strahlqualität die Komplexität reduziert, die bei der Analyse von Messergebnissen entstehen kann.
Schließlich ist es wichtig, die verfügbare Leistung im Vergleich zur Stichprobengröße zu berücksichtigen, da eine höhere Leistung einen größeren Bereich abbilden kann.
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