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      科研應用
      激光加工透明藍寶石基底工藝獲得新進展
      材料來源:激光行業觀察           錄入時間:2022/10/19 22:17:39

      藍寶石具有良好的機械、光學、化學性能以及高電絕緣性等優點,因此在精密裝置、軍事設備元器件、醫學設備的光學窗口組件、LED基體以及微納結構制造上得到廣泛應用。但是這些性質也導致了在藍寶石表面加工微結構的困難。傳統的藍寶石加工方法包括金剛石刀片切割以及化學刻蝕。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生裂紋及小碎片,而化學刻蝕所用的材料會污染環境。

      激光誘導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,吸收劑蒸發爆炸。因為蒸發劑吸收的高溫,輻照點的基底部分融化,并被爆炸去除。

      近年來,激光誘導背向濕式刻蝕(LIBWE)作為加工透明藍寶石基底的方法越來越受歡迎,其特點是利用流動工質冷卻材料表面并且帶走碎片。但傳統LIBWE的生產效率并不高。

      廣東工業大學機電工程學院激光微納加工謝小柱團隊在已經證明減小藍寶石與限制玻片的距離能夠提高刻蝕效率和表面質量的前期基礎上,通過1064nm脈沖激光加工處于硫酸銅溶液中的藍寶石,并利用數值模擬以及高速成像攝影探究加工效率提高的機制。實驗與模擬結果均證明氣泡的持續時間隨著藍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沉積的流場。另外,小間隙導致的更劇烈的液體對流有助于熱擴散,這種熱擴散可有效提升表面質量。相關工作以題為 “Cavitation Bubble Dynamics during Laser Wet Etching of Transparent Sapphire Substrates by 1064 nm Laser Irradiation”發表在英文期刊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寶石基底與限制玻璃間隔下利用LIBWE加工藍寶石從而得到LIBWE在不同加工環境下的加工效率。同時,本研究還建立了一套以流體體積法(VOF)為理論基礎的數值模擬模型,利用該模型得到了不同時間下的空化氣泡輪廓以及流場速度。并且,研究將模擬結果與利用高速成像攝影得到的空化氣泡圖像及生長動態作對比,驗證了模型的合理性。

      結果表明,在間隔高于1.25mm時,氣泡行為與流場的分布具有相同規律。值得注意的是,隨著間隔的減少,氣泡的持續時間將增加,而氣泡最大直徑減少。當間隔減少為0.43mm時,氣泡的最大直徑會達到一個最小值,并且持續100us。當間隔大于1.25mm,流場的壓力呈現為從氣泡中心向外擴張發展的圓形分布。測試證明了同樣的刻蝕參數下間隔為0.43mm時的刻蝕效率大于間隔為10mm時的刻蝕效率。

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

      圖1. 實驗裝置

      圖2. 模型網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的激光誘導氣泡。溶液濃度20%,頻率2kHz,單脈沖能量4.0mJ,每幀間隔12.56us,曝光時間8us;(b)模擬結果中的氣體體積百分比;(c)間隔為10mm時的流場分布;(d)宏觀流場分布

      圖5. (a) 在間隔1.25mm下高速成像攝影觀測的激光誘導氣泡。溶液濃度20%,頻率2kHz,單脈沖能量4.0mJ,每幀間隔12.56us,曝光時間8us;(b)模擬結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的激光誘導氣泡。溶液濃度20%,頻率2kHz,單脈沖能量4.0mJ,每幀間隔24.8us,曝光時間8us;(b)模擬結果中的氣體體積百分比;(c)間隔為0.43mm時的流場分別

      圖7. 溝槽深度與掃描時間關系。溶液濃度20%,頻率2kHz,掃描速度5mm/s

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

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