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在飞秒激光加工硬脆材料时，水溶剂产生的气泡影响加工效率。中南民族大学等机构研究人员开展超薄菜籽油（约 58μm 厚）辅助飞秒激光加工石英玻璃微沟槽研究。结果表明该方法可减少气泡影响、降低石英损伤阈值和温度梯度，对蚀刻玻璃材料意义重大。
在现代科技飞速发展的进程中，透明脆性材料如同一座等待开采的宝藏，蕴藏着巨大的潜力。像蓝宝石、石英玻璃和钻石等，它们凭借高电阻率、完美的绝缘性能以及出色的透明度，在生物学、集成电路互连等众多前沿技术领域展现出广阔的应用前景。然而，这些材料的优良特性也给加工带来了极大的挑战，传统的机械或化学加工方法在它们面前常常束手无策，如何简单且精确地在这些材料上制造微尺度的器件和结构，成为了长期困扰科研人员的难题。
飞秒激光微加工技术的出现，犹如一道曙光，为解决这一难题带来了希望。它以高精度和低热效应的优势，在微通道、微孔以及芯片实验室等领域广泛应用。但这一技术并非十全十美，在加工过程中会出现诸如重铸层、烧蚀碎屑再沉积、相变以及裂纹等问题。同时，及时清除蚀刻碎屑和多余热量对于高质量的激光微纳加工至关重要，而直接激光烧蚀在这方面存在不足。液体辅助激光蚀刻技术应运而生，它能够有效减少甚至消除热影响区和局部机械应力，快速排出沉积的碎屑，成为了研究的热点。然而，该技术也存在一个明显的缺陷，那就是在加工过程中会产生大量气泡，这些气泡主要集中在蚀刻区域，严重影响能量利用效率和表面质量。
为了攻克这些难题，中南民族大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于超薄菜籽油辅助飞秒激光加工石英玻璃微沟槽这一主题，致力于探索新的加工方法，以提高加工效率和质量，推动透明硬材料加工技术的发展。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是飞秒激光加工技术，实验使用中心波长为 1040nm、脉冲宽度为 388fs、重复频率为 100kHz 的飞秒激光对石英玻璃进行加工。其次，通过精确控制菜籽油的用量，在石英玻璃表面形成约 58μm 厚的超薄油层辅助加工。此外，利用模拟分析技术，基于 Drude 方程的电离模型和 Fourier 热传导理论，对激光蚀刻过程中的电子密度演化和热传导进行研究。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 实验装置与气泡行为：搭建了飞秒激光加工实验装置，在实验中分别观察了水和菜籽油作为辅助液体时的情况。发现水作为辅助液体时，激光蚀刻产生的气泡分散在加工区域，且由于水的表面张力低，气泡聚并能力差，还会因温度梯度导致液体对流增强，影响能量利用效率和蚀刻质量，同时难以形成微射流。而在菜籽油环境下，气泡呈现聚并行为，在临界超薄液层条件下，激光诱导的初级空化气泡不对称坍塌时会形成连续定向的高速微射流，将气泡从加工区域排出，减少对激光束的干扰，改善蚀刻过程。
- 微沟槽几何参数分析：研究了激光单脉冲能量Ep、扫描速度v和扫描时间N对微沟槽深度h和宽度w的影响。结果表明，在空气和菜籽油中，当N=1时，微沟槽深度h随Ep增加而增加，且两者深度相似；微沟槽宽度w对Ep不敏感，基本在 40 - 50μm 波动。当N=1时，微沟槽深度h随v增加而减小，且在菜籽油中的深度和宽度略高于在空气中的情况。在Ep=7.1μJ条件下，研究N的影响发现，当N<5时，不同蚀刻介质中微沟槽深度h随N增加差异不大；当N≥5时，菜籽油中微沟槽深度明显大于空气中，这是因为菜籽油中碎屑能及时排出，且其可吸收激光能量并作为散热介质，减少重熔层，提高了加工效率；而N对微沟槽宽度w影响较小。
- 表面形态研究：在Ep=7.1μJ的实验条件下，观察不同速度v和扫描时间N时石英玻璃微沟槽在空气和菜籽油中的表面和横截面形态。结果显示，菜籽油辅助飞秒激光蚀刻有助于制造高纵横比的微沟槽，且在菜籽油中蚀刻产生的微裂纹和碳化现象比在空气中少，这得益于菜籽油较高的比热容和热导率，能促进热量吸收和分散，降低材料炭化的可能性，提高微沟槽的整体质量。
- 模拟分析结果：通过模拟分析激光能量吸收和耗散特性。在吸收特性方面，发现菜籽油达到击穿标准阈值所需的光强比石英低，且在相同条件下，菜籽油能比空气吸收更多激光能量，这解释了在菜籽油中石英蚀刻宽度和深度更大的现象。在耗散特性方面，根据 Fourier 热传导理论建立模型分析，结果表明菜籽油有助于激光能量的耗散，能降低石英玻璃表面温度，减小温度梯度，使温度场更均匀，减少微裂纹的产生。
研究结论和讨论部分指出，菜籽油能有效减轻气泡相关问题，并通过微射流促进碎屑排出。随着扫描时间N增加，菜籽油中蚀刻的石英玻璃微沟槽深度比空气中更深，在特定条件下，菜籽油中微沟槽的纵横比大于空气中。基于 Drude 方程的电离模型和 Fourier 热传导理论，证实了菜籽油能降低石英的损伤阈值和温度梯度。这些结论对于现代工业制造蚀刻透明硬材料具有重要意义，为高精度制造光学传感器和光子器件提供了广阔的前景。不过，该研究也存在一定的局限性，如油膜厚度控制精度有待提高，后续研究可进一步探索不同液体的性能，寻找更优的蚀刻介质，推动该领域的持续发展。
