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,是蓝光LED(Light-Emitting Diode)最主要产业化衬底、工业及国防领域主要的窗口材料和耐磨轴承材料。传统金刚石划切方法存在崩边、破裂和刀具磨损等缺点,干法和湿法化学刻蚀很难对其进行加工,激光划切技术具有高速、窄划槽和非接触等优点,具有很大的发展空间和良好的应用前景。本文对脉冲绿激光(波长λ=532nm)划切蓝宝石基片技术进行了理论和实验研究。首先,总结了蓝宝石激光划切的研究意义、传统划切技术存在的问题、激光划切技术的特点及国内外研究现状;其次,理论上研究了激光与蓝宝石材料作用时的温度场和应力场,推导出材料的激光烧蚀阈值和产生裂纹的阈值,并与实验值进行了对比。研究了单脉冲和多脉冲烧蚀蓝宝石的材料去除率,研究了激光烧蚀凹坑和激光划槽的表面微观形貌,分析了材料去除机理;再次,通过单因素实验研究了激光划切工艺参数(偏振性、焦点位置、脉冲能量、扫描速度和扫描次数)对激光划槽尺寸(划槽深度和宽度)及表面质量的影响规律;最后,通过响应曲面法(Response Surface Methodology,RSM)对激光划切工艺参数(脉冲能量、扫描速度和扫描次数)进行了优化,得到了优化的激光划切参数组合。主要研究方法和结论如下:1.首先进行了单脉冲和多脉冲激光烧蚀加工蓝宝石实验,研究了烧蚀凹坑深度和直径与激光能量密度和脉冲数间的关系。基于傅立叶热传导模型得到了脉冲绿激光与蓝宝石相互作用的温度场和应力场分布模型,研究了不同激光能量密度下表面温度和热应力与加热时间关系以及不同激光能量密度下不同位置的温度分布,推导出了材料的激光烧蚀阈值和产生裂纹阈值。实验方面,采用凹坑直径拟合法和深度拟合法对烧蚀阈值进行了研究。综合理论和实验研究结果发现热模型计算法、微观形貌法和直径拟合法三者得到的烧蚀阈值比较接近,而深度拟合法误差很大,确定了蓝宝石的激光烧蚀阈值和产生裂纹阈值分别为15 J/cm2和84 J/cm2。通过对划槽和烧蚀凹坑表面形貌的研究,发现了蓝宝石材料去除过程存在熔化、气化、裂纹和溅射等现象,综合以上分析证实了脉冲绿激光与蓝宝石相互作用是基于光热作用的机理。通过XRD分析发现,激光划切蓝宝石作用区域组织的晶体结构发生了改变,由晶体结构变为非晶态组织,非晶态组织有利于增强材料对激光的吸收,从而增加材料的去除率。2.分析了激光划切蓝宝石过程的主要影响因素,采用单因素实验研究了偏振性、焦点位置、脉冲能量、扫描速度和扫描次数对划槽尺寸及质量的影响规律。实验结果发现:(1)偏振性对蓝宝石激光划槽尺寸有重要影响,平行于入射面线偏振光的划槽窄而深,垂直于入射面线偏振光的划槽宽而浅;(2)远离焦点位置时,随着离焦量增加,划槽深度减小,划槽宽度增加。在焦平面以下50 μm时,划槽深而窄;(3)划槽宽度随着脉冲激光能量增加而增加,划槽深度随着脉冲激光能量增加先增加后趋于饱和;(4)划槽深度和划槽宽度随着扫描速度增加而减少;(5)划槽深度和宽度随着扫描次数增加而增加。3.通过响应曲面法对激光划切参数(脉冲能量、扫描速度和扫描次数)与划槽尺寸(划槽深度和宽度)间的关系进行定量分析及多重响应优化,定量分析了各个工艺参数的主效应、交互作用和二次项对划槽宽度和深度的影响,综合考虑划槽尺寸和划切质量后得到了脉冲绿激光划切工艺参数的优化组合,并进行了实验验证。当激光脉冲能量为150μJ、扫描速度为0.55 mm/s和扫描次数为3次时,可以得到深度为148 μm、宽度为19 μm且质量较好的划槽。