一种极片裁切激光器的制作方法

1.本实用新型涉及锂电池极片生产技术领域，具体地说，涉及一种极片裁切激光器。


背景技术：

2.我国为早日达到双碳减排目标，锂电池等新能源产品的需求量暴涨，锂电池中关键材料包括极片、隔膜和电解液。其中，极片的极耳模切、裁切、分切等在锂电池电芯生产中工艺中广泛应用。其中，负极以铜箔作为基材，通常采用mopa纳秒脉冲激光器切割，便能够满足负极的品质和产能要求。例如：申请号：201911326685.8，发明名称：一种适用于小功率mopa激光器的光纤激光器光路结构，提供了一种适用于小功率mopa激光器的光纤激光器光路结构，采用了两级放大的结构，并且对一级放大结构进行了双向泵浦，前向泵浦可以获得较好的噪声指数但输出功率较低，后向泵浦可以获得更高的输出功率但噪声较大，采用双向泵浦的方式，使一级放大结构在具有较高增益系数的同时具备了较低的噪声指数，二级放大结构在一级放大结构的基础上进行放大，进一步提高了整个系统的增益系数，由于980泵浦激光器价格较高且占用了较大的功耗和体积，本发明采用两个分光器对泵浦激光器进行分光，减少了系统的功耗和体积。
3.然而，正极以铝箔作为基材，由于金属铝和金属铜的熔点、硬度的不同，常规的纳秒mopa脉冲激光器切割过程中熔珠和毛刺较多，效果不佳，无法稳定量产。现有的正极生产工艺中以刀模切割为主，刀模单价昂贵，且寿命短，更换刀模需要停机装调，严重影响生产效率；并且维护费用极高。
4.因此，锂电池正极切割中亟需一种价格低廉、切割效率高的切割装置替代刀模。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提出一种极片裁切激光器，采用单频单模激光器和激光功率调整装置，配合合适参数的切割头，实现正极片的高效、高质量裁切。
6.本实用新型的技术方案是这样实现的：一种极片裁切激光器，其包括激光种子源、驱动电路、激光功率调整装置、激光输出头和切割头，其中，所述激光种子源为单频单模激光器，所述驱动电路驱动激光种子源发出种子激光；所述激光功率调整装置包括第一调整装置、第二调整装置和第三调整装置；所述种子激光入射到第一调整装置，并且依次被第一调整装置、第二调整装置和第三调整装置进行调整，最终由第三调整装置出射第六激光；第六激光穿过激光输出头后出射，穿过激光输出头后的第六激光进入切割头，所述切割头输出切割激光。
7.在以上技术方案的基础上，优选的，第一调整装置包括一级功率放大器和一级输出隔离器，种子激光入射到一级功率放大器，所述一级功率放大器出射第一激光，第一激光入射到一级输出隔离器，所述一级输出隔离器出射第二激光。
8.在以上技术方案的基础上，优选的，一级功率放大器为第一光纤放大器，所述第一光纤放大器的芯径为10um，所述一级功率放大器为反向泵浦放大器结构。
9.在以上技术方案的基础上，优选的，第一调整装置还包括第一滤波片，所述第一滤波片设置在一级输出隔离器内，所述第一滤波片带宽为2nm，所述一级输出隔离器功率等级为300mw。
10.在以上技术方案的基础上，优选的，第二调整装置包括二级功率放大器和二级输出隔离器，第二激光入射到二级功率放大器，所述二级功率放大器出射第三激光，所述第三激光入射到二级输出隔离器，所述二级输出隔离器出射第四激光。
11.在以上技术方案的基础上，优选的，二级功率放大器为第二光纤放大器，所述第二光纤放大器的芯径为30um，所述二级功率放大器为反向泵浦放大器结构。
12.在以上技术方案的基础上，优选的，第二调整装置还包括第二滤波片，所述第二滤波片设置在二级输出隔离器内，所述第二滤波片带宽为2nm，所述二级输出隔离器功率等级为30w。
13.在以上技术方案的基础上，优选的，第三调整装置包括三级功率放大器和三级输出隔离器，所述第四激光入射到三级功率放大器，所述三级功率放大器出射第五激光，所述第五激光入射到三级输出隔离器，所述三级输出隔离器出射第六激光。
14.在以上技术方案的基础上，优选的，三级功率放大器为第三光纤放大器，所述第三光纤放大器的芯径为100um，所述三级功率放大器为反向泵浦放大器结构。
15.在以上技术方案的基础上，优选的，第三调整装置还包括第三滤波片，所述第三滤波片设置在三级输出隔离器内，所述第三滤波片带宽为10nm，所述三级输出隔离器功率为1000w。
16.本实用新型的一种极片裁切激光器相对于现有技术具有以下有益效果：
17.(1)本技术方案采用单频单模激光器，利用激光功率调整装置对种子激光进行放大和调整，实现正极片的高效、高质量裁切；
18.(2)激光功率调整装置包括第一调整装置、第二调整装置和第三调整装置，对种子激光逐步进行功率放大和滤掉部分波长的激光，光功率逐级放大的效果更明显，不同滤光片滤光能力更强。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型一种极片裁切激光器的结构示意图；
21.图2为本实用新型一种极片裁切激光器的光路图。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
23.如图1和图2所示，一种极片裁切激光器，其包括激光种子源1、驱动电路2、激光功率调整装置3、激光输出头4和切割头5。
24.其中，如图1和图2所示，激光种子源1为单频单模激光器，中心波长1060nm波段，光谱线宽小于1mhz，该激光种子源1只有单个纵模，经过电调制之后会有轻微的啁啾光谱展宽，但是放大过程的光谱展宽非常小，可以有效地抑制自相位调制非线性效应。
25.所述驱动电路2驱动激光种子源1发出种子激光601，驱动电路2实现对激光种子源1在200ps到800ps之间的调制脉宽，脉冲的重频可达10mhz，驱动电路2产生一个1ns左右，电流1a左右的电脉冲信号，电脉冲先由fpga芯片产生，然后经过射频电路放大，最后加载在单模的激光种子源1上，并且产生对应的光脉冲。
26.极片切割过程中，产线速度节拍很高，必须保证激光脉冲单次能够切断材料，通常对单脉冲的能量要求在0.3mj左右。目前极片切割主要采用的脉宽在100ns左右，激光器支持的最小脉宽在20ns左右，但是短脉冲峰值功率受限，脉冲能量较低，需要多次反复切割才能切断，无法满足高速量产需求，为了使单频单模激光器能够符合正极极片的切割，我们需要对种子激光601进行调整，该技术方案中通过激光功率调整装置3对激光种子源1所发出的激光进行调整。
27.激光功率调整装置3，如图1和图2所示，包括第一调整装置31、第二调整装置32和第三调整装置33，第一调整装置31、第二调整装置32和第三调整装置33输出平均功率等级不同，功率越高，所需要的泵浦源功率越大；光纤芯径不同，功率越大，单脉冲能量和峰值功率越高，需要更粗芯径的光纤以克服不利的非线性效应。
28.作为一种优选的实施方式，第一调整装置31包括一级功率放大器311、一级输出隔离器312和第一滤波片，输入一级功率放大器311的种子激光601的功率在1mw，所述一级输出隔离器312功率等级为300mw，经过一级功率放大器311放大后出射第一激光602的功率为300mw。
29.作为一种优选的实施方式，一级功率放大器311为第一光纤放大器，所述第一光纤放大器的芯径为10um，所述一级功率放大器311为反向泵浦放大器结构。
30.作为一种优选的实施方式，第一滤波片设置在一级输出隔离器312内，所述第一滤波片带宽为2nm，第一滤波片滤除1030nm波段的ase。
31.第二调整装置32，如图1和图2所示，包括二级功率放大器321、二级输出隔离器322和第二滤波片。
32.作为一种优选的实施方式，二级功率放大器321为第二光纤放大器，所述第二光纤放大器的芯径为30um，所述二级功率放大器321为反向泵浦放大器结构，二级功率放大器321出射第三激光604，所述二级输出隔离器322功率等级为30w，所述第三激光604的功率为30w。
33.作为一种优选的实施方式，第二滤波片设置在二级输出隔离器322内，所述第二滤波片带宽为2nm，第二滤波片滤除1030nm波段ase和光谱展宽边带。
34.第三调整装置33，如图1和图2所示，包括三级功率放大器331、三级输出隔离器332和第三滤波片。
35.作为一种优选的实施方式，三级功率放大器331为第三光纤放大器，所述第三光纤放大器的芯径为100um，所述三级功率放大器331为反向泵浦放大器结构，三级功率放大器
331出射第五激光606，所述三级输出隔离器332功率为1000w，第五激光606的功率被放大到1000w。
36.作为一种优选的实施方式，第三滤波片设置在三级输出隔离器332内，所述第三滤波片带宽为10nm，第三滤波片滤除1030nm波段ase、光谱展宽边带和srs边带。第三滤波片带宽适当增大是考虑大带宽的功率占比较高，一定带宽对加工效果没有影响。
37.由于入射到激光功率调整装置3的种子激光601、第一激光602、第二激光603、第三激光604、第四激光605、第五激光606和第六激光607的光功率是逐级放大的，越靠后光功率越高。上述激光在光纤纤芯内放大的过程中存在非线性光谱展宽效应(自相位调制，spm)和受激拉曼散射效应(srs)，此效应的强度是跟纤芯的激光功率密度和光纤的累计长度正相关的。随着光功率逐级放大，非线性spm和srs效应导致的光谱展宽会越来越严重，过宽的光谱会导致隔离器的损耗增大(磁光晶体的透过带宽有限)，同时影响聚焦镜头最后形成的光斑形态，且过高的srs还会导致光纤过热，影响系统的安全工作。因此，为了抑制光谱的非线性增长，在一级输出隔离器312内增加第一滤波片，在二级输出隔离器322内增加第二滤波片，在三级输出隔离器332内增加第三滤波片，第一滤波片、第二滤波片和第三滤波片只允许带宽之内的光谱通过。一级输出隔离器312和二级输出隔离器322的峰值功率低，非线性小，采用窄带滤波片(2nm带宽)，第五激光606的非线性效应较高，光谱展宽较为严重，如果滤波片带宽过大，会导致损耗增大，而且输出激光功率不稳定，因此选用带宽为10nm第三滤波片。
38.一级输出隔离器312、二级输出隔离器322和三级输出隔离器332均是通用光学器件，按照不同的功率等级，使用的双折射晶体材料，镜片材料，磁铁尺寸和强度，光纤处理方式各有不同。300mw等级的一般采用钒酸钇yvo4晶体，200w左右高功率的可以采用tgg(铽镓石榴石)，200w以上超高功率tsag(铽铝石榴石晶体)，高功率晶体具有更高的光谱透过率，更高的磁光效应维尔德系数。
39.为了方便柔性传输和与切割头5匹配，激光输出头4采用qbh接头，确定好准直光斑的参数后，也可以根据参数采用自带准直镜头的qcs接头。
40.切割头5与激光输出头4适配，根据切断极片所需的激光阈值和适当的焦深满足一定的抖动范围，焦点尺寸控制在30-50um之间。根据焦点距离选配准直透镜和聚焦透镜的参数。由于三级功率放大器331采用100um芯径的光纤，光束质量无法达到近似单模的程度，其m2在10左右，m2是衡量光束质量因子的指标，m2的理论极限是1，数值越大，代表光束质量越差。若准直镜头焦距为f1，聚焦镜头焦距为f2，则焦点直径大体可以按照100um*f2/f1来估算，例如f1为100mm，f2为50mm，则焦点直径为50um。
41.一种极片裁切激光器的使用方法：
42.种子激光601入射到一级功率放大器311，所述一级功率放大器311出射第一激光602，第一激光602入射到一级输出隔离器312，所述一级输出隔离器312出射第二激光603。第二激光603入射到二级功率放大器321，所述二级功率放大器321出射第三激光604，所述第三激光604入射到二级输出隔离器322，所述二级输出隔离器322出射第四激光605。第四激光605入射到三级功率放大器331，所述三级功率放大器331出射第五激光606，所述第五激光606入射到三级输出隔离器332，所述三级输出隔离器332出射第六激光607。第六激光607穿过激光输出头4后出射，穿过激光输出头4后的第六激光607进入切割头5，所述切割头
5输出切割激光608，切割激光608用于切割锂电池正极极片。
43.以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。