Connaissez-vous l'application industrielle des lasers DPSS ? (Partie 4)

Lasers DPSpeut être utilisé dans 12 domaines, nous allons présenter aujourd'hui quatre domaines d'application et leurs principes

9. Inspection photovoltaïque

Les techniques basées sur le laser dans l'inspection photovoltaïque révèlent une variété de propriétés des matériaux et sont largement utilisées dans l'ensemble de l'industrie. Des mesures telles que la réflectance de surface, les pièges de niveau profond, la diffusion des porteurs, la structure et les limites cristallines, la profondeur et la température du type de jonction, l'absorption et la diffusion de la lumière et la dégradation des photons affectent toutes l'efficacité des cellules solaires et peuvent être mesurées par une gamme de processus optiques .

La plupart des fabrications photovoltaïques sont en silicium ; Cependant, les chercheurs recherchent une alternative moins chère et plus efficace - la pérovskite. Au cours de la dernière décennie, l'efficacité de conversion d'énergie des cellules solaires à pérovskite est passée de moins de 4 % à près de 30 %, provoquant un grand émoi. Une petite quantité de pérovskite peut produire la même quantité d'énergie solaire que quelques tonnes de silicium. En tant que semi-conducteurs à bande interdite directe, les pérovskites sont idéales pour les cellules solaires. La pérovskite est abordable, durable et efficace, et a le potentiel de dépasser le silicium sur le marché du PV. Cependant, l'efficacité de la pérovskite n'a été mesurée que sur de minuscules échantillons et n'est pas encore commercialement viable.

Les lasers à fréquence unique offrent une alternative efficace et sans contact aux étapes de lithographie coûteuses, et avec les bonnes caractéristiques laser et longueurs d'onde, ces sources lumineuses peuvent également inspecter, modifier et activer ces nouveaux matériaux. Atteindre des rendements élevés à moindre coût nécessite une source lumineuse avec une résolution spatiale élevée, une excellente qualité de faisceau et une stabilité de puissance à long terme. Par exemple, l'imagerie par photoluminescence (PL) peut être utilisée pour le contrôle qualité efférent (fabricants de plaquettes) et le contrôle qualité afférent (fabricants de batteries), où les lasers proche infrarouge (NIR) sont souvent utilisés comme sources lumineuses économiques à cette fin. Les lasers dans la gamme ultraviolette (UV) offrent une flexibilité pour la caractérisation des matériaux et les étapes de traitement. Comme pour le traitement des semi-conducteurs, la lumière UV est utilisée dans diverses étapes de mesure et techniques d'inspection des cellules photovoltaïques, où la longueur d'onde plus courte permet l'analyse d'une complexité de surface accrue, et la source UV haute puissance rayonne ou élimine les matériaux dégradés sur la barrière du substrat.

Les lasers monofréquence couvrent la gamme NIR à UV, et leurs caractéristiques sont spécifiquement conçues pour l'applicabilité de ces procédés optiques.

Qualité du faisceau : comprend la taille, la forme, la stabilité et l'intensité du faisceau laser. Un faisceau en mode transverse unique (TEM 00) est essentiel pour la caractérisation des cellules PV, permettant un contrôle spatial élevé. Excellente forme de faisceau, direction stable et faible ellipticité pour un traitement et une détection cohérents.

Faible bruit : les cellules photovoltaïques et les lasers de détection de plaquettes doivent émettre un faible bruit pour minimiser les erreurs de détection et éviter une caractérisation inexacte. Le faible niveau de bruit, combiné à la largeur de ligne étroite, améliore le rapport signal sur bruit et améliore la sensibilité de mesure et de détection.

Stabilité : pour assurer la cohérence d'une batterie à l'autre et d'un panneau à l'autre, le laser nécessite également une excellente stabilité spectrale et de puissance pour effectuer des mesures à haute résolution et éliminer les erreurs dans les mesures de longue durée.

10. Production principale de réseau

Les réseaux de diffraction optique sont des dispositifs couramment utilisés pour mesurer la longueur d'onde de la lumière, constitués d'un certain nombre d'éléments diffractifs régulièrement espacés - à savoir des lacunes et des crêtes - qui peuvent alternativement affecter la phase et l'amplitude de la lumière incidente. Un exemple pratique de réseaux est leur utilisation dans les spectromètres. La fente d'entrée est située dans le plan focal de la lentille, permettant à toute lumière incidente de passer à travers et de devenir parallèle. La lumière frappe alors le réseau de sorte que la lumière incidente est dispersée dans ses longueurs d'onde constitutives, et la distribution d'intensité peut être observée directement ou enregistrée par un photomètre.

Les réseaux peuvent être disposés en mode transmission ou réflexion et sont largement utilisés dans une variété de systèmes laser différents. Ces réseaux sont installés à l'intérieur et à l'extérieur du résonateur pour la sélection de la longueur d'onde, la séparation du faisceau, la mise en forme du faisceau et la polarisation. Les réseaux laser hautes performances se caractérisent par leurs seuils de dommage à des longueurs d'onde spécifiques, ainsi que par leur largeur d'impulsion élevée, leur taux de répétition et leur efficacité de diffraction dans la direction de polarisation.

Les processus de lithographie holographique et interférentielle sont courants dans la production de réseaux, bien que des réseaux spectraux de haute qualité ne puissent être obtenus qu'en introduisant des revêtements à haute résolution et des lasers à ondes courtes. Un réseau peut être créé en dessinant un champ d'interférence laser fin sur la couche de lithorésist, où des ondes d'interférence peuvent être générées par la division d'amplitude d'un front d'onde ou d'un faisceau laser cohérent - le plus souvent des lasers en fonctionnement monomode.

L'efficacité et la qualité globales d'un réseau créé de cette manière dépendent de plusieurs caractéristiques de la source lumineuse utilisée, telles que la longueur d'onde et la polarisation, et les paramètres suivants doivent être pris en compte lors de l'examen d'un laser approprié pour la production de matrices de réseaux :

Haute puissance : Des temps d'exposition plus courts sont généralement nécessaires car cela réduit les influences externes dommageables telles que les vibrations. Par conséquent, une intensité lumineuse plus élevée est préférable.

Stabilité de la puissance : les fluctuations de la puissance de sortie pendant le processus de production peuvent amplifier l'interférogramme, entraînant une imprécision. Par conséquent, une puissance de sortie ultra-stable et un bruit de puissance indétectable sont très importants pour garantir la qualité du disque parent du réseau.

Qualité du faisceau : L'excellente qualité du faisceau et la stabilité de pointage sont également des paramètres clés pour garantir une analyse cohérente et précise.

11. Diffusion Brillouin

L'effet Brillouin est une diffusion inélastique causée par l'interaction paramétrique des photons avec des phonons thermiques, comme on le trouve dans la spectroscopie Raman, bien qu'ici il soit causé par l'interaction de la lumière avec des phonons qui vibrent dans la gamme acoustique ; Souvent appelées ondes sonores. Ces fluctuations thermiques dynamiques peuvent provoquer des changements dans la constante diélectrique et l'indice de réfraction du matériau support, entraînant de faibles effets de diffusion inélastique lors du passage des photons. Cette interaction inélastique provoque un changement de fréquence dans la lumière incidente, proportionnel à la vitesse relative du phonon, entraînant un changement d'énergie ou décalage de Stokes, qui est de plusieurs ordres de grandeur inférieur au décalage Raman en raison des comparaisons entre la vitesse du son et la vitesse de la lumière.

Dans Raman, ce décalage de Stokes est lié à des interactions vibrationnelles et rotationnelles spécifiques au niveau moléculaire, tandis que le décalage de Brillouin est le résultat d'interactions macroscopiques à basse fréquence avec le milieu en vrac, où les effets non linéaires sont le plus souvent causés par l'électrostriction. Ce décalage de Stokes peut également être causé par des changements dans la structure de la charge (polaron) ou son oscillation magnétique (magnéton). Les photons peuvent perdre de l'énergie, provoquant un mouvement vers une longueur d'onde plus longue, ou gagner de l'énergie, provoquant une longueur d'onde plus courte (anti-Stokes).

À faible puissance laser, ces effets Brillouin peuvent se produire spontanément, mais à des intensités de puissance plus élevées, cet effet peut être directement excité par des photons excités, appelés diffusion Brillouin stimulée (SBS). Le SBS provoque la génération d'ondes sonores dans le matériau porteur, se propageant dans la même direction que le faisceau incident, et les photons diffusés et en mouvement sont réfléchis ou réfléchis vers le faisceau incident. Cette diffusion peut être analysée pour déterminer diverses propriétés élastiques de films et d'échantillons submicroniques, ainsi que les propriétés de surface de matériaux en vrac, et est utilisée pour une large gamme d'applications ; Les exemples incluent la géologie, la biologie et les sciences de la vie, le pétrole et le gaz, les télécommunications, etc. Par exemple, c'est cet effet de rétro-réflexion stimulée qui limite la puissance optique totale pouvant être injectée dans la fibre. Cet effet est également largement utilisé dans la conjugaison de phase optique, où les miroirs de conjugaison de phase (PCM) sont utilisés pour corriger les distorsions thermiques dans les cristaux laser et produire des formes de faisceau plus gaussiennes.

Comme l'effet de diffusion est très faible et que le décalage de Stokes n'est que de quelques picomètres, le laser d'excitation utilisé est crucial. Le laser doit avoir une largeur de ligne extrêmement étroite et une longue longueur de cohérence pour garantir que les résultats de l'effet de diffusion Brillouin sont clairement observés avec une bonne résolution et un bon rapport signal sur bruit.

12. Interférométrie

L'interférométrie fait référence à une technique large qui repose sur la superposition de deux trajets lumineux cohérents, le plus souvent séparés d'une source lumineuse unique, pour former un motif d'interférence. Cette interférence est causée par une différence de trajet entre deux faisceaux, un trajet de lumière de référence et un trajet de lumière d'échantillon incident, entraînant un changement mesurable du motif de franges. Cette technique de mesure peut être utilisée pour une variété d'applications différentes - des simples mesures de distance ou de surface aux structures et aux contraintes, en passant par les mesures d'ondes gravitationnelles.

En théorie, la configuration expérimentale typique est très simple. Le laser cohérent hautement stable est divisé en deux pour produire des faisceaux séparés et identiques. L'un est un bras de référence à trajectoire fixe, tandis que l'autre forme un faisceau incident mobile de l'échantillon. Initialement, les deux faisceaux lumineux sont en phase, séparés d'une même source cohérente. Si les deux chemins ont la même longueur, ils seront toujours en phase lorsqu'ils atteindront le détecteur. Cependant, une légère déviation dans le trajet du faisceau échantillon change sa phase par rapport au faisceau de référence et crée ainsi des déviations associées dans le motif d'interférence. Ces écarts dans le modèle d'interférence sont des sorties mesurables.

Plusieurs facteurs à prendre en compte lors du choix de la bonne source de lumière pour l'interférométrie :

Tout d'abord, la source de lumière a besoin d'une stabilité hyperspectrale pour s'assurer que le changement de motif est causé par l'échantillon et non par l'effet laser. Des longueurs de cohérence plus longues, et donc des largeurs de raie plus étroites, détermineront en partie la résolution de la mesure, tout en tenant compte également de la longueur d'onde utilisée.

La stabilité élevée du pointage du faisceau garantit des mesures cohérentes à l'emplacement de l'échantillon sélectionné, tandis que la qualité élevée du faisceau réduit la complexité qui peut survenir lors de l'analyse des résultats de mesure.

Enfin, il est important de considérer le niveau de puissance disponible par rapport à la taille de l'échantillon, car une puissance plus élevée peut imager une zone plus grande.

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