藍(lán)寶石具有良好的機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)性能以及高電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，因此在精密裝置、軍事設(shè)備元器件、醫(yī)學(xué)設(shè)備的光學(xué)窗口組件、LED基體以及微納結(jié)構(gòu)制造上得到廣泛應(yīng)用。但是這些性質(zhì)也導(dǎo)致了在藍(lán)寶石表面加工微結(jié)構(gòu)的困難。傳統(tǒng)的藍(lán)寶石加工方法包括金剛石刀片切割以及化學(xué)刻蝕。然而這兩種方法均存在不足之處：金剛石刀片切割容易使樣品產(chǎn)生裂紋及小碎片，而化學(xué)刻蝕所用的材料會(huì)污染環(huán)境。

激光誘導(dǎo)背面濕式刻蝕是一種用激光加熱背面吸收液間接加工透明材料的工藝。首先，被照射的激光穿透玻璃基板，并被基板背面的吸收劑吸收。其次，由于吸熱過度，吸收劑蒸發(fā)爆炸。因?yàn)檎舭l(fā)劑吸收的高溫，輻照點(diǎn)的基底部分融化，并被爆炸去除。

近年來，激光誘導(dǎo)背向濕式刻蝕(LIBWE)作為加工透明藍(lán)寶石基底的方法越來越受歡迎，其特點(diǎn)是利用流動(dòng)工質(zhì)冷卻材料表面并且?guī)ё咚槠�。但傳統(tǒng)LIBWE的生產(chǎn)效率并不高。

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院激光微納加工謝小柱團(tuán)隊(duì)在已經(jīng)證明減小藍(lán)寶石與限制玻片的距離能夠提高刻蝕效率和表面質(zhì)量的前期基礎(chǔ)上，通過1064nm脈沖激光加工處于硫酸銅溶液中的藍(lán)寶石，并利用數(shù)值模擬以及高速成像攝影探究加工效率提高的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果均證明氣泡的持續(xù)時(shí)間隨著藍(lán)寶石基底與限制玻片間隙的增加而增加，并且將形成更有利于光化學(xué)沉積的流場(chǎng)。另外，小間隙導(dǎo)致的更劇烈的液體對(duì)流有助于熱擴(kuò)散，這種熱擴(kuò)散可有效提升表面質(zhì)量。相關(guān)工作以題為 “Cavitation Bubble Dynamics during Laser Wet Etching of Transparent Sapphire Substrates by 1064 nm Laser Irradiation”發(fā)表在英文期刊Journal of Laser Micro/Nanoengineering 2013年第3卷第8期。

本研究在不同的單脈沖能量以及藍(lán)寶石基底與限制玻璃間隔下利用LIBWE加工藍(lán)寶石從而得到LIBWE在不同加工環(huán)境下的加工效率。同時(shí)，本研究還建立了一套以流體體積法(VOF)為理論基礎(chǔ)的數(shù)值模擬模型，利用該模型得到了不同時(shí)間下的空化氣泡輪廓以及流場(chǎng)速度。并且，研究將模擬結(jié)果與利用高速成像攝影得到的空化氣泡圖像及生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)作對(duì)比，驗(yàn)證了模型的合理性。

結(jié)果表明，在間隔高于1.25mm時(shí)，氣泡行為與流場(chǎng)的分布具有相同規(guī)律。值得注意的是，隨著間隔的減少，氣泡的持續(xù)時(shí)間將增加，而氣泡最大直徑減少。當(dāng)間隔減少為0.43mm時(shí)，氣泡的最大直徑會(huì)達(dá)到一個(gè)最小值，并且持續(xù)100us。當(dāng)間隔大于1.25mm，流場(chǎng)的壓力呈現(xiàn)為從氣泡中心向外擴(kuò)張發(fā)展的圓形分布。測(cè)試證明了同樣的刻蝕參數(shù)下間隔為0.43mm時(shí)的刻蝕效率大于間隔為10mm時(shí)的刻蝕效率。

本研究通過實(shí)驗(yàn)與模擬探究了LIBWE在間隔減小時(shí)加工效率提高的機(jī)制。通過高速成像攝影得到了不同時(shí)間下的氣泡空化圖像，并建立了一套計(jì)算流體力學(xué)模型，模擬了不同時(shí)間氣泡空化的輪廓以及流場(chǎng)速度。研究利用實(shí)驗(yàn)證明了模型的合理性。

圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2. 模型網(wǎng)格及邊界條件示意圖

圖3.在不同間隔H下的沿y軸的氣泡直徑Dy

圖4. (a)在間隔10mm下高速成像攝影觀測(cè)的激光誘導(dǎo)氣泡。溶液濃度20%，頻率2kHz，單脈沖能量4.0mJ，每幀間隔12.56us，曝光時(shí)間8us;(b)模擬結(jié)果中的氣體體積百分比;(c)間隔為10mm時(shí)的流場(chǎng)分布;(d)宏觀流場(chǎng)分布

圖5. (a) 在間隔1.25mm下高速成像攝影觀測(cè)的激光誘導(dǎo)氣泡。溶液濃度20%，頻率2kHz，單脈沖能量4.0mJ，每幀間隔12.56us，曝光時(shí)間8us;(b)模擬結(jié)果中的氣體體積百分比;

圖6. (a) 在間隔0.43mm下高速成像攝影觀測(cè)的激光誘導(dǎo)氣泡。溶液濃度20%，頻率2kHz，單脈沖能量4.0mJ，每幀間隔24.8us，曝光時(shí)間8us;(b)模擬結(jié)果中的氣體體積百分比;(c)間隔為0.43mm時(shí)的流場(chǎng)分別

圖7. 溝槽深度與掃描時(shí)間關(guān)系。溶液濃度20%，頻率2kHz，掃描速度5mm/s

圖8. (a)間隔為0.43mm時(shí)的加工表面質(zhì)量(b) 間隔為0.43mm時(shí)的三維視圖加工表面質(zhì)量(c)間隔為10mm時(shí)的加工表面質(zhì)量。溶液濃度20%，掃描速度2mm/s，掃描次數(shù)2次，單脈沖能量4.0mJ

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