CN116160131A - 一种5g陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光打孔技术领域，提出了一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置及方法，包括飞秒激光器，以及设置在所述飞秒激光器发射光束路径上的脉冲能量调节及控制系统、激光脉冲整形系统和激光旋转打孔系统，飞秒激光作为打孔光束，具有峰值功率高、作用时间短、材料加工阈值低和聚焦光斑仅微米级别等优点，可以在避免5G陶瓷介质滤波器材料融化的情况下，瞬间将5G陶瓷介质滤波器上的材料变成等离子体而挥发出去，实现了在极短时间内，热量来不及在5G陶瓷介质滤波器材料内部进行电子和晶格之间的传递时实现打孔，从而避免了热效应的产生。

Description

一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置及方法

技术领域

本发明属于激光打孔技术领域，尤其涉及一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置及方法。

背景技术

陶瓷介质滤波器在5G领域的应用对打孔质量和一致性的要求非常严格，传统的机械加工和长脉冲激光加工已经逐渐不能够满足生产的要求。

发明人发现，作为5G滤波器的陶瓷介质材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和易碎等特点，5G滤波器要求打孔具有高深径比，无锥度，高质量，高一致性；在实际应用中，对于高品质微孔的加工，传统的方法具有一定的局限性，常见的微孔加工方法中电子束加工和聚焦离子束使用条件苛刻、效率低和设备昂贵；电火花腐蚀只能加工导电材料；电化学打孔效率极低、材料局限；机械钻孔加工较硬材料困难且深径比小。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置及方法，与传统加工方式相比，可以提高打孔质量，可以在5G陶瓷介质滤波器上加工出高深径比、无锥度、高质量和高一致性的微孔，提高了产品加工效率和精度。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，采用如下技术方案：

一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，包括飞秒激光器，以及设置在所述飞秒激光器发射光束路径上的脉冲能量调节及控制系统、激光脉冲整形系统和激光旋转打孔系统。

进一步的，所述飞秒激光器和所述脉冲能量调节及控制系统之间设置有光束隔离装置和扩束镜组，所述光束隔离装置靠近所述飞秒激光器。

进一步的，所述飞秒激光器和所述光束隔离装置之间设置有第一反射光镜，所述光束隔离装置和所述扩束镜组之间设置有第二反射光镜；所述第一反射光镜的入射光线和出射光线垂直，所述第二反射光镜的入射光线和出射光线垂直。

进一步的，所述脉冲能量调节及控制系统包括半波片和偏振分光棱镜。

进一步的，所述激光脉冲整形系统包括空间光调制器和透镜组。

进一步的，所述激光旋转打孔系统包括二维振镜、旋转棱镜和聚焦透镜组。

进一步的，所述激光旋转打孔系统的出射光线方向上设置有运动平台。

为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔方法，采用如下技术方案：

一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔方法，采用了如第一方面中所述的5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置。

进一步的，由飞秒激光器发射的飞秒激光，首先经过脉冲能量调节及控制系统进行聚焦光斑的能量调节，然后经过激光脉冲整形系统将飞秒激光器发射的高斯光斑整形成平顶光斑，最后经过激光旋转打孔系统对聚焦光束与5G陶瓷介质滤波器的角度进行调节后进行打孔。

进一步的，飞秒激光器输出的线偏振光通过半波片时线偏振的偏振方向被改变，偏振分光棱镜将线偏振光分成两束振动方向相互垂直的S光和P光，P光沿原传播方向继续传播，S光从偏振分光棱镜的另一个面出射，通过旋转半波片8调节聚焦光斑的能量大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用飞秒激光器，飞秒激光器发射的具有极短脉冲的飞秒激光，首先经过脉冲能量调节及控制系统进行聚焦光斑的能量调节，然后经过激光脉冲整形系统将飞秒激光器发射的高斯光斑整形成平顶光斑，最后经过激光旋转打孔系统对聚焦光束与5G陶瓷介质滤波器的角度进行调节后进行打孔；飞秒激光作为打孔光束，具有峰值功率高、作用时间短、材料加工阈值低和聚焦光斑仅微米级别等优点，可以在避免5G陶瓷介质滤波器材料融化的情况下，瞬间将5G陶瓷介质滤波器上的材料变成等离子体而挥发出去，实现了在极短时间内，热量来不及在5G陶瓷介质滤波器材料内部进行电子和晶格之间的传递时实现打孔，从而避免了热效应的产生；

2、飞秒激光作为打孔光束，由于极高的峰值功率密度，能够精确的控制加工尺寸精度、形状精度和一致性，利用飞秒激光加工5G陶瓷介质滤波器在工业化生产中具有非常好的应用前景。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的结构示意图；

其中，1、飞秒激光器；2、第一反光镜；3、光束隔离装置；4、第二反光镜；5、扩束镜组；6、脉冲能量调节及控制系统；7、激光脉冲整形系统；8、半波片；9、偏振分光棱镜；10、空间光调制器；11、透镜组；12、激光旋转打孔系统；13、二维振镜；14、旋转棱镜；15、5G陶瓷介质滤波器；16、运动平台；17、聚焦透镜组；18、准直光束；19、平顶光。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，包括超快激光器，以及设置在所述超快激光器发射光束路径上的第一反光镜2、光束隔离装置3、第二反光镜4、扩束镜组5、脉冲能量调节及控制系统6、激光脉冲整形系统7、激光旋转打孔系统12和运动平台16。

为满足5G滤波器要求打孔具有的高深径比、无锥度、高质量和高一致性解要求，以及采用传统打孔方法存在的问题，本实施例提供的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，采用飞秒激光作为打孔光束，具有峰值功率高、作用时间短、材料加工阈值低和聚焦光斑仅微米级别等优点，可以在避免5G陶瓷介质滤波器材料融化的情况下，瞬间将5G陶瓷介质滤波器上的材料变成等离子体而挥发出去，实现了在极短时间内，热量来不及在5G陶瓷介质滤波器材料内部进行电子和晶格之间的传递时实现打孔，从而避免了热效应的产生，与传统加工方式相比，可以提高打孔质量，可以在5G陶瓷介质滤波器上加工出高深径比、无锥度、高质量和高一致性的微孔，达到了提高5G陶瓷介质滤波器加工效率和精度的目的。

所述脉冲能量调节及控制系统6包括半波片8和偏振分光棱镜9；所述激光脉冲整形系统7包括空间光调制器10和透镜组11；所述激光旋转打孔系统12包括二维振镜13、旋转棱镜14和聚焦透镜组17；所述运动平台16用于放置或安装固定5G陶瓷介质滤波器15；所述二维振镜13可设置为二维反射镜组。

所述飞秒激光器1和所述光束隔离装置3之间设置有第一反射光镜2，所述光束隔离装置3和所述扩束镜组5之间设置有第二反射光镜4；所述第一反射光镜1的入射光线和出射光线垂直，所述第二反射光镜4的入射光线和出射光线垂直；所述第一反射光镜1和所述第二反射光镜4的设置，通过改变光束的方向，可以实现缩小整个打孔装置整体长度的目的，有利于打孔装置的优化设计和后期推广。

所述超快激光器可以设置为飞秒激光器1；所述飞秒激光器1发射的超快激光器波长可以为飞秒红外激光、飞秒绿激光或飞秒紫外激光，输出的光束为线偏振光，脉宽为飞秒量级的高斯光束。

所述光束隔离装置3可以采用隔离度大于30db的光束隔离器，用于隔离打孔光路中激光反射的激光光束对激光器输出能量稳定性的影响。

所述脉冲能量调节及控制系统6，用于聚焦光斑的能量调节，当所述飞秒激光器1输出的线偏振光通过所述半波片8时线偏振的偏振方向将被改变，所述偏振分光棱镜9可以将线偏振光分成两束振动方向相互垂直的S光和P光，P光沿原传播方向继续传播，S光从所述偏振分光棱镜9的另一个面出射，通过旋转所述半波片8可以调节聚焦光斑的能量大小。

所述激光脉冲整形系统7，用于将所述飞秒激光器1发射的高斯光斑整形成平顶光斑；其中，所述空间光调制器10用于通过相位调制，将入射到空间光调制器10的高斯光束整形成平顶光束19；平顶光束19经过由两个中继透镜组成的透透镜组11，所述透镜组11对平顶光束19进行傅里叶变换和传输后，导入所述激光旋转打孔系统12；

所述激光旋转打孔系统12，用于对聚焦光束与5G陶瓷介质打孔材料的角度进行改变，通过对角度的改变可以得到高深径比的无锥度孔，从而得到一个高质量的打孔效果，旋转打孔可以通过旋转的旋转棱镜14同步扫描二维反射镜组控制光束的位置和角度实现。

所述运动平台16为高精度定位运动平台，定位精度在2微米以内；所述运动平台16可以在x、y和z三个方向实现空间内运动，用于调控5G陶瓷介质滤波器与激光焦点的相对位置，一边做旋转打孔一边使焦点在加工工件上下移，确保每次旋转打孔时激光焦点都在5G陶瓷介质滤波器表面进行加工，以此来精确的控制加工尺寸精度和打孔一致性。

5G陶瓷介质滤波器15中的陶瓷介质材料可以设置为氧化铝(Al2O3))、氮化铝(AlN)或氧化锆等。

本实施例中基于5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置的打孔方法包括：

所述飞秒激光器1发射超短脉冲激光，超短脉冲激光经过所述飞秒激光器1的发射方向依次设有所述光束隔离装置3、所述脉冲能量调节及控制系统6和所述激光脉冲整形系统7后，通过所述激光旋转打孔系统12中的旋转棱镜同步扫描二维反射镜组控制光束的位置和角度，实现激光旋转打孔。具体的，所述扩束镜组5可以通过手动或者电动方式调节扩束镜组5的放大倍率和远场发散角得到准直光束18，准直光束18依次进入所述脉冲能量调节及控制系统6，通过手动或者电动控制半波片的旋转角度，所述偏振分光棱镜9将准直光束18的线偏振光分成两束振动方向相互垂直的S光和P光，P光沿原传播方向继续传播，进入所述激光脉冲整形系统7，通过所述空间光调制器10和所述透镜组11将超快激光器1发射的高斯光斑整形成平顶光束19，平顶光束19导入所述激光旋转打孔系统12，由所述二维振镜13组成的光束角度、运动控制系统产生光束偏摆，最后再由所述旋转棱镜14和所述聚焦透镜组17聚焦后到达5G陶瓷介质滤波器15表面，通过控制二维振镜的旋转扫描角即可控制孔的大小，平顶光束19在5G陶瓷介质滤波器15表面通过烧蚀形成微孔，所述运动平台16中xy轴的运动可完成5G陶瓷介质滤波器打孔位置定位，z轴的运动可实现激光焦点与5G陶瓷介质滤波器位置的相对移动，这样就可实现需要焦点移动的无锥度打孔。

飞秒激光是一种具有极短脉冲的激光，峰值功率高，作用时间短，材料加工阈值低，聚焦光斑仅微米级别，可以在避免材料融化的情况下，瞬间将材料变成等离子体而挥发出去，在这极短的时间内，热量来不及在材料内部进行电子和晶格之间的传递，从而避免了热效应的产生，由于极高的峰值功率密度，能够非常精确的控制加工尺寸精度，形状精度及一致性，利用飞秒激光加工5G陶瓷介质滤波器在工业化生产中具有非常好的应用前景。

实施例2：

本实施例提供了一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔方法，采用了如实施例1中所述的5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置；具体的，由飞秒激光器发射的飞秒激光，首先经过脉冲能量调节及控制系统进行聚焦光斑的能量调节，然后经过激光脉冲整形系统将飞秒激光器发射的高斯光斑整形成平顶光斑，最后经过激光旋转打孔系统对聚焦光束与5G陶瓷介质滤波器的角度进行调节后进行打孔。

飞秒激光器输出的线偏振光通过半波片时线偏振的偏振方向被改变，偏振分光棱镜将线偏振光分成两束振动方向相互垂直的S光和P光，P光沿原传播方向继续传播，S光从偏振分光棱镜的另一个面出射，通过旋转半波片8调节聚焦光斑的能量大小。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，包括飞秒激光器，以及设置在所述飞秒激光器发射光束路径上的脉冲能量调节及控制系统、激光脉冲整形系统和激光旋转打孔系统。

2.如权利要求1所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，所述飞秒激光器和所述脉冲能量调节及控制系统之间设置有光束隔离装置和扩束镜组，所述光束隔离装置靠近所述飞秒激光器。

3.如权利要求2所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，所述飞秒激光器和所述光束隔离装置之间设置有第一反射光镜，所述光束隔离装置和所述扩束镜组之间设置有第二反射光镜；所述第一反射光镜的入射光线和出射光线垂直，所述第二反射光镜的入射光线和出射光线垂直。

4.如权利要求1所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，所述脉冲能量调节及控制系统包括半波片和偏振分光棱镜。

5.如权利要求1所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，所述激光脉冲整形系统包括空间光调制器和透镜组。

6.如权利要求1所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，所述激光旋转打孔系统包括二维振镜、旋转棱镜和聚焦透镜组。

7.如权利要求1所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置，其特征在于，所述激光旋转打孔系统的出射光线方向上设置有运动平台。

8.一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔方法，其特征在于，采用了如权利要求1-7任一项所述的5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔装置。

9.如权利要求8所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔方法，其特征在于，由飞秒激光器发射的飞秒激光，首先经过脉冲能量调节及控制系统进行聚焦光斑的能量调节，然后经过激光脉冲整形系统将飞秒激光器发射的高斯光斑整形成平顶光斑，最后经过激光旋转打孔系统对聚焦光束与5G陶瓷介质滤波器的角度进行调节后进行打孔。

10.如权利要求8所述的一种5G陶瓷介质滤波器飞秒激光打孔方法，其特征在于，飞秒激光器输出的线偏振光通过半波片时线偏振的偏振方向被改变，偏振分光棱镜将线偏振光分成两束振动方向相互垂直的S光和P光，P光沿原传播方向继续传播，S光从偏振分光棱镜的另一个面出射，通过旋转半波片8调节聚焦光斑的能量大小。

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