蓝宝石具有良好的机械、光学、化学性能以及高电绝缘性等优点，因此在精密装置、军事设备元器件、医学设备的光学窗口组件、LED基体以及微纳结构制造上得到广泛应用。但是这些性质也导致了在蓝宝石表面加工微结构的困难。传统的蓝宝石加工方法包括金刚石刀片切割以及化学刻蚀。然而这两种方法均存在不足之处：金刚石刀片切割容易使样品产生裂纹及小碎片，而化学刻蚀所用的材料会污染环境。

激光诱导背面湿式刻蚀是一种用激光加热背面吸收液间接加工透明材料的工艺。首先，被照射的激光穿透玻璃基板，并被基板背面的吸收剂吸收。其次，由于吸热过度，吸收剂蒸发爆炸。因为蒸发剂吸收的高温，辐照点的基底部分融化，并被爆炸去除。

近年来，激光诱导背向湿式刻蚀(LIBWE)作为加工透明蓝宝石基底的方法越来越受欢迎，其特点是利用流动工质冷却材料表面并且带走碎片。但传统LIBWE的生产效率并不高。

广东工业大学机电工程学院激光微纳加工谢小柱团队在已经证明减小蓝宝石与限制玻片的距离能够提高刻蚀效率和表面质量的前期基础上，通过1064nm脉冲激光加工处于硫酸铜溶液中的蓝宝石，并利用数值模拟以及高速成像摄影探究加工效率提高的机制。实验与模拟结果均证明气泡的持续时间随着蓝宝石基底与限制玻片间隙的增加而增加，并且将形成更有利于光化学沉积的流场。另外，小间隙导致的更剧烈的液体对流有助于热扩散，这种热扩散可有效提升表面质量。相关工作以题为 “Cavitation Bubble Dynamics during Laser Wet Etching of Transparent Sapphire Substrates by 1064 nm Laser Irradiation”发表在英文期刊Journal of Laser Micro/Nanoengineering 2013年第3卷第8期。

本研究在不同的单脉冲能量以及蓝宝石基底与限制玻璃间隔下利用LIBWE加工蓝宝石从而得到LIBWE在不同加工环境下的加工效率。同时，本研究还建立了一套以流体体积法(VOF)为理论基础的数值模拟模型，利用该模型得到了不同时间下的空化气泡轮廓以及流场速度。并且，研究将模拟结果与利用高速成像摄影得到的空化气泡图像及生长动态作对比，验证了模型的合理性。

结果表明，在间隔高于1.25mm时，气泡行为与流场的分布具有相同规律。值得注意的是，随着间隔的减少，气泡的持续时间将增加，而气泡最大直径减少。当间隔减少为0.43mm时，气泡的最大直径会达到一个最小值，并且持续100us。当间隔大于1.25mm，流场的压力呈现为从气泡中心向外扩张发展的圆形分布。测试证明了同样的刻蚀参数下间隔为0.43mm时的刻蚀效率大于间隔为10mm时的刻蚀效率。

本研究通过实验与模拟探究了LIBWE在间隔减小时加工效率提高的机制。通过高速成像摄影得到了不同时间下的气泡空化图像，并建立了一套计算流体力学模型，模拟了不同时间气泡空化的轮廓以及流场速度。研究利用实验证明了模型的合理性。

图1. 实验装置

图2. 模型网格及边界条件示意图

图3.在不同间隔H下的沿y轴的气泡直径Dy

图4. (a)在间隔10mm下高速成像摄影观测的激光诱导气泡。溶液浓度20%，频率2kHz，单脉冲能量4.0mJ，每帧间隔12.56us，曝光时间8us;(b)模拟结果中的气体体积百分比;(c)间隔为10mm时的流场分布;(d)宏观流场分布

图5. (a) 在间隔1.25mm下高速成像摄影观测的激光诱导气泡。溶液浓度20%，频率2kHz，单脉冲能量4.0mJ，每帧间隔12.56us，曝光时间8us;(b)模拟结果中的气体体积百分比;

图6. (a) 在间隔0.43mm下高速成像摄影观测的激光诱导气泡。溶液浓度20%，频率2kHz，单脉冲能量4.0mJ，每帧间隔24.8us，曝光时间8us;(b)模拟结果中的气体体积百分比;(c)间隔为0.43mm时的流场分别

图7. 沟槽深度与扫描时间关系。溶液浓度20%，频率2kHz，扫描速度5mm/s

图8. (a)间隔为0.43mm时的加工表面质量(b) 间隔为0.43mm时的三维视图加工表面质量(c)间隔为10mm时的加工表面质量。溶液浓度20%，扫描速度2mm/s，扫描次数2次，单脉冲能量4.0mJ

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