水导激光基础理论学习

激光是 21 世纪最具代表的科技产物，其最常见的应用领域就是激光加工：利用能量密度极高的激光束作用于工件上，使材料瞬间熔化或者气化，同时在冲击波的作用下将熔融材料微粒吹开，从而对工件进行切割、钻孔等加工作业。这种加工方式因为有对工件的切割面四周产生热损伤及熔融微粒沾污的问题，所以在超硬材料和精密微加工中的应用受到限制。

1993年，瑞士科学家Beruold Richerghagen首先提出了水射流导向激光技术，亦称为水导激光技术或微水刀激光技术或者微射流激光技术，随后在全球范围内开展了一系列水导激光技术针对不同超硬材料的切割加工研究。

目前水导激光可以应用于第三代半导体材料、新能源、航空航天和电子制造等前沿领域中的半导体材料、陶瓷、硬质合金和复合材料等超硬脆性材料组成的核心器件加工，并展现出巨大的规模化应用前景。

一、 水导激光的加工原理

水导激光加工的基本原理是将大功率脉冲激光束耦合到水射流之中后作用于工件表面实现加工的过程。

一般是大功率的激光器采用光纤耦合输出方式，通过透镜聚焦到置于扁形的水腔底座的喷嘴，从喷嘴喷射出的柱状水射流导向激光作用于加工件表面。这种独特的激光与水射流耦合的加工方法会产生平行于切口断面的切缝，其不仅可以保证精密的加工精度，还可以确保加工区域保持冷却和干净。同时在加工过程中无需进行激光聚焦和距离控制。

由于水导激光的技术全能性，其可以加工各种厚度范围的各种难加工材料，同时还不会产生热影响区和微裂纹等缺陷。因此，水导激光技术完美地解决了复杂和精密加工的需求。下图是传统激光与水导激光加工的对比图。

水导激光加工(Water-jet guided laser，WJGL)技术是一种新型的微加工技术，该方法具有加工精度高，重铸层厚度小，热影响区小，几乎无微裂纹，无热应力，有效加工距离长，切缝平直且边缘光滑无毛刺等优势。

水导激光加工原理的研究涉及激光、材料、流体、传热学等多个学科，交叉性强，其中水与激光的耦合技术是该加工方法的关键技术。激光经过扩束、聚焦后进入喷嘴孔，当激光入射角大于全反射的临界角时，激光在水—空气界面发生全发射，激光在水的引导下，保持一个恒定的激光能量密度，到达加工材料表面，从而实现材料的去除。

水导激光是一种先进激光与光子制造技术，其利用激光在水与空气的界面上发生全反射的现象，将激光约束在直径几十微米的微细水射流中，水射流内保持极高的激光能量密度，从而实现对材料的去除。

相比传统激光切割加工，水导激光加工优势如下：

1) 水射流是圆柱体结构能使传导的激光平行输出，所以激光切割面高度平行，不产生锥度。

2) 加工深度取决于水流长度，长度可以超过10 cm，而且不需要昂贵的聚焦光学系统。

3) 水导激光降低了脉冲激光加工对材料的热损伤，提高了切割边缘的均匀性。

4) 因加工表面有水的存在，有效防止了激光烧蚀后熔融物附着在加工材料表面。

二、水导激光光源

在科学层面，这是一项公开技术，早已实现突破，其难点在于技术的工程化应用。目前在全球范围，水导激光相关的核心产品主要来自两家瑞士公司——Synova（禧诺琺）和AVonisys（阿沃尼斯）公司，前者采用绿光激光器，后者则是红外激光器。

此前水导激光在国内主要应用于珠宝加工行业，近几年随着新材料产业的快速发展，水导激光的市场需求激增，尤其是对SIC碳化硅、高温合金等高熔点、高硬度、高韧性金属复合材料的加工、切割。

绿光在水中传输损耗小，而且波长短，材料对于激光吸收高。相比于红外激光器，532 nm激光在深加工方面利用率较高，已经成为水导激光技术应用的标准光源。

水导激光加工设备对激光的功率和单脉冲能量都有一定要求，目前还是以固体激光器为主，一般是采用Nd:YAG固体激光器，调Q运转方式获得基频1064 nm脉冲激光输出，然后通过非线性频率变换技术，倍频得到532 nm脉冲激光。倍频方式有腔内倍频和腔外倍频两种。由于KTP晶体的抗损伤阈值比较低，长期运转会有“灰迹效应”，在高功率532 nm激光器中，通常采用抗损伤阈值非常高的LBO作为倍频晶体。

随着激光功率的增加，激光腔内高峰值功率的激光振荡，会增加腔内光学元件和膜层的损伤风险，更高功率绿光一般采用种子源+放大器（MOPA）的结构先获得高功率基频1064 nm激光，再通过腔外倍频的方式获得高功率532 nm输出。因此，高功率放大器是高功率绿光激光器的关键技术。

目前，瑞士Synova（禧诺琺）公司的水导激光加工设备采用的是20—400 W绿光光源，脉宽低至20 ns。同类激光器，国外已经可以达到400 W以上的激光功率，国内只有中科院理化所、中电十一所、中国工程物理研究院、核工业理化工程研究院等科研院所能做到200 W以上的532 nm激光输出，但整体指标尚未达到应用需求，并且尚未有成熟的工业产品推出。因此，对于国内水导激光技术的发展，激光器作为其核心器件之一，也是制约其技术水平的关键环节。

三、 应用领域

硬质材料：聚晶立方氮化硼 (PCBN)、聚晶金刚石 (PCD)、单晶金刚石 (MCD)、化学气相沉积 (CVD) 金刚石、天然金刚石 (ND)、碳化钨 (WC)

金属：不锈钢、NICO合金、CuBe（铍青铜）、铜、黄铜、铝、形状记忆合金（镍钛诺）、钛、镍、超级合金等。

陶瓷：氧化锆 (ZrO2)、LTCC（低温共烧陶瓷）、氮化铝 (AlN)、氧化铝 (Al2O3)

四、 传统激光与水导激光演示

 1、水导激光切割演示

 2、传统激光切割演示

  五、详细了解了水导激光后，您是否觉得水导激光是超硬材料加工的终极利器呢？