水導激光基礎理論學習

激光是 21 世紀最具代表的科技產物，其最常見的應用領域就是激光加工：利用能量密度極高的激光束作用于工件上，使材料瞬間熔化或者氣化，同時在沖擊波的作用下將熔融材料微粒吹開，從而對工件進行切割、鉆孔等加工作業。這種加工方式因為有對工件的切割面四周產生熱損傷及熔融微粒沾污的問題，所以在超硬材料和精密微加工中的應用受到限制。

1993年，瑞士科學家Beruold Richerghagen首先提出了水射流導向激光技術，亦稱為水導激光技術或微水刀激光技術或者微射流激光技術，隨后在全球范圍內開展了一系列水導激光技術針對不同超硬材料的切割加工研究。

目前水導激光可以應用于第三代半導體材料、新能源、航空航天和電子制造等前沿領域中的半導體材料、陶瓷、硬質合金和復合材料等超硬脆性材料組成的核心器件加工，并展現出巨大的規模化應用前景。

一、 水導激光的加工原理

水導激光加工的基本原理是將大功率脈沖激光束耦合到水射流之中后作用于工件表面實現加工的過程。

一般是大功率的激光器采用光纖耦合輸出方式，通過透鏡聚焦到置于扁形的水腔底座的噴嘴，從噴嘴噴射出的柱狀水射流導向激光作用于加工件表面。這種獨特的激光與水射流耦合的加工方法會產生平行于切口斷面的切縫，其不僅可以保證精密的加工精度，還可以確保加工區域保持冷卻和干凈。同時在加工過程中無需進行激光聚焦和距離控制。

由于水導激光的技術全能性，其可以加工各種厚度范圍的各種難加工材料，同時還不會產生熱影響區和微裂紋等缺陷。因此，水導激光技術完美地解決了復雜和精密加工的需求。下圖是傳統激光與水導激光加工的對比圖。

水導激光加工(Water-jet guided laser，WJGL)技術是一種新型的微加工技術，該方法具有加工精度高，重鑄層厚度小，熱影響區小，幾乎無微裂紋，無熱應力，有效加工距離長，切縫平直且邊緣光滑無毛刺等優勢。

水導激光加工原理的研究涉及激光、材料、流體、傳熱學等多個學科，交叉性強，其中水與激光的耦合技術是該加工方法的關鍵技術。激光經過擴束、聚焦后進入噴嘴孔，當激光入射角大于全反射的臨界角時，激光在水—空氣界面發生全發射，激光在水的引導下，保持一個恒定的激光能量密度，到達加工材料表面，從而實現材料的去除。

水導激光是一種先進激光與光子制造技術，其利用激光在水與空氣的界面上發生全反射的現象，將激光約束在直徑幾十微米的微細水射流中，水射流內保持極高的激光能量密度，從而實現對材料的去除。

相比傳統激光切割加工，水導激光加工優勢如下：

1) 水射流是圓柱體結構能使傳導的激光平行輸出，所以激光切割面高度平行，不產生錐度。

2) 加工深度取決于水流長度，長度可以超過10 cm，而且不需要昂貴的聚焦光學系統。

3) 水導激光降低了脈沖激光加工對材料的熱損傷，提高了切割邊緣的均勻性。

4) 因加工表面有水的存在，有效防止了激光燒蝕后熔融物附著在加工材料表面。

二、水導激光光源

在科學層面，這是一項公開技術，早已實現突破，其難點在于技術的工程化應用。目前在全球范圍，水導激光相關的核心產品主要來自兩家瑞士公司——Synova（禧諾琺）和AVonisys（阿沃尼斯）公司，前者采用綠光激光器，后者則是紅外激光器。

此前水導激光在國內主要應用于珠寶加工行業，近幾年隨著新材料產業的快速發展，水導激光的市場需求激增，尤其是對SIC碳化硅、高溫合金等高熔點、高硬度、高韌性金屬復合材料的加工、切割。

綠光在水中傳輸損耗小，而且波長短，材料對于激光吸收高。相比于紅外激光器，532 nm激光在深加工方面利用率較高，已經成為水導激光技術應用的標準光源。

水導激光加工設備對激光的功率和單脈沖能量都有一定要求，目前還是以固體激光器為主，一般是采用Nd:YAG固體激光器，調Q運轉方式獲得基頻1064 nm脈沖激光輸出，然后通過非線性頻率變換技術，倍頻得到532 nm脈沖激光。倍頻方式有腔內倍頻和腔外倍頻兩種。由于KTP晶體的抗損傷閾值比較低，長期運轉會有“灰跡效應”，在高功率532 nm激光器中，通常采用抗損傷閾值非常高的LBO作為倍頻晶體。

隨著激光功率的增加，激光腔內高峰值功率的激光振蕩，會增加腔內光學元件和膜層的損傷風險，更高功率綠光一般采用種子源+放大器（MOPA）的結構先獲得高功率基頻1064 nm激光，再通過腔外倍頻的方式獲得高功率532 nm輸出。因此，高功率放大器是高功率綠光激光器的關鍵技術。

目前，瑞士Synova（禧諾琺）公司的水導激光加工設備采用的是20—400 W綠光光源，脈寬低至20 ns。同類激光器，國外已經可以達到400 W以上的激光功率，國內只有中科院理化所、中電十一所、中國工程物理研究院、核工業理化工程研究院等科研院所能做到200 W以上的532 nm激光輸出，但整體指標尚未達到應用需求，并且尚未有成熟的工業產品推出。因此，對于國內水導激光技術的發展，激光器作為其核心器件之一，也是制約其技術水平的關鍵環節。

三、 應用領域

硬質材料：聚晶立方氮化硼 (PCBN)、聚晶金剛石 (PCD)、單晶金剛石 (MCD)、化學氣相沉積 (CVD) 金剛石、天然金剛石 (ND)、碳化鎢 (WC)

金屬：不銹鋼、NICO合金、CuBe（鈹青銅）、銅、黃銅、鋁、形狀記憶合金（鎳鈦諾）、鈦、鎳、超級合金等。

陶瓷：氧化鋯 (ZrO2)、LTCC（低溫共燒陶瓷）、氮化鋁 (AlN)、氧化鋁 (Al2O3)

四、 傳統激光與水導激光演示

?1、水導激光切割演示

?2、傳統激光切割演示

? 五、詳細了解了水導激光后，您是否覺得水導激光是超硬材料加工的終極利器呢？