激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石基片过程中的声发射检测实验研究

摘要

蓝宝石具有高耐磨性、高硬度、高脆性和化学性能稳定等特点，是重要的光学元件和半导体衬底材料，广泛应用于工业、国防和科研等领域。激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石的过程复杂，涉及激光与样件、工作液体等多层介质层材料相互作用的问题，目前对激光诱导背面湿式刻蚀的加工机理不甚明确。在不同的激光加工工艺参数下，加工过程中存在声音变化，因此采用声发射技术来监测激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石基片的全过程，为解释激光诱导背面湿式刻蚀机理和提高刻蚀质量提供参考依据。
　　本文根据激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石的特点，选择合适的软硬件，搭建了声发射实验监测系统。对蓝宝石在不同的工作液体下进行了激光诱导背面湿式刻蚀声发射实验研究。首先总结了进行激光诱导背面湿式刻蚀过程的声发射检测实验研究意义，总结了湿法刻蚀技术和声发射技术的国内外研究现状；并对声发射技术在脆性材料加工和激光加工领域的研究状况进行了归纳；概述了声发射技术的基础理论，总结了常用的声发射信号处理方法。在此基础上，形成了激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石过程中声发射实验研究思路。主要研究方法和结论如下：
　　（1）首先通过研究声发射技术的相关理论，总结了常用的声发射信号参数分析方法，确定了利用声发射特征参数幅度、撞击计数、能量计数联合分析激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石的全过程。
　　（2）对激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石基片过程中的声发射信号的参数特征进行分析，发现激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石时，声发射事件少，幅度较大，能量计数比较大，撞击计数较小。当形成部分刻穿时，声发射事件逐渐增多，幅度减小，能量计数基本降为零，撞击计数开始大幅增加。因此可以利用声发射信号特征来判断蓝宝石是否被切穿。
　　（3）为了进一步了解不同刻蚀状态的频谱特征，对常用的频谱分析方法如短时傅里叶变换、功率谱等相关原理进行分析，确定选用功率谱作为本课题的声发射信号的频谱分析方法。通过对一个完整的激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石过程中声发射信号的功率谱分析，发现不同的刻蚀状态下声发射信号的频谱特征不一样。激光设备空转时的声发射信号分布在100kHz以下；激光直接作用在工作液体上的声发射信号主要集中在100kHz-200kHz之间，功率谱值比较低；激光刻蚀在蓝宝石上的声发射信号集中在300kHz左右，功率谱值比较高。因此可以根据这些频谱特征判断蓝宝石在不同时刻所处的刻蚀状态。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及研究内容

1.4 本章小结

第二章 声发射检测技术理论基础

2.1 声发射的基本原理

2.2 声发射信号的特征参数

2.3 声发射信号分析方法

2.4 本章小结

第三章 激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石基片的声发射检测系统

3.1 声发射检测系统方案设计

3.2 实验材料及物理特性

3.3 检测仪器

3.4 本章小结

第四章 激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石过程中的声发射特性研究

4.1 声发射信号采集与实验背景噪声分析

4.2 声发射信号机理分析

4.3 工作液体为硫酸铜混合溶液的声发射信号特征分析

4.4 工作液体为硫酸铜水溶液的声发射信号特征分析

4.5 有明显裂纹产生的声发射信号特征

4.6 本章小结

第五章 激光诱导背面湿式刻蚀蓝宝石过程中的声发射信号频谱分析研究

5.1 短时傅里叶变换和功率谱原理

5.2 典型的湿式刻蚀过程中的声发射信号的频谱分析

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与专利

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