水导激光加工，高端装备精密加工技术新突破

   封面展示了水导激光耦合能束的形成过程与加工状态。准直后光束经过聚焦镜聚焦，穿过玻璃窗口进入高压耦合水腔，在喷嘴处与微细水射流耦合，形成耦合能束并射出。在耦合能束内部，水射流基于全反射原理限制激光的轴向传输。耦合能束四周的辅助气体能够延长耦合能束长度并避免反冲水对传输过程的干扰。耦合能束作用于工件表面，实现无崩碎、锥度小的优良加工质量。

01 背景介绍

      随着国家航空航天、汽车制造、生物医疗等领域的迅速发展，航空发动机耐热部件、集成电路半导体晶圆以及心血管支架等关键部件的加工精度与质量要求日益提高。而传统机械加工与激光加工在加工质量、加工效率等方面存在局限，难以满足高质高效的加工需求。

      水导激光加工技术(WJGL)，作为一种新型激光复合加工技术，兼具长脉冲激光高加工效率和低加工成本的同时，有效了加工过程中的严重热损伤问题，实现近似于超快激光的加工效果。然而，国内对该项技术的研究起步较晚，研制全国产化水导激光加工装备亟待推进。

      哈尔滨工业大学杨立军教授团队综述了水导激光加工技术的工作原理与设备组成、激光-水射流耦合传输过程分析以及该技术在金属、半导体以及复合材料加工领域的应用，旨在深入分析水导激光加工的关键技术难点，为相关研究人员提供全面参考，推动全国产化水导激光加工装备的发展与应用。

02 水导激光技术原理与设备组成

      水导激光加工技术基于全反射原理，将光束限制在微细水射流内部形成耦合能束，将激光能量传输至工件表面进行加工[图1 (a)]，具有无严重热缺陷、工作距离长、加工深径比大以及加工精度高等优势。水导激光加工装备主要由光学系统、水射流发生系统、供气系统、耦合系统以及可视化耦合调节系统等部分组成 [图1 (b)]。

      水射流发生系统中除常规稳压供水装置外，还应配备反渗透装置、真空除气装置等水精华装置，以满足水导激光加工技术对于水质的极高要求。此外，光束耦合系统​的耦合头通常垂直放置，避免水射流由于重力发生弯曲，导致激光逸出水射流，造成耦合失败。

图1 水导激光技术原理与设备组成。(a) 水导激光工作原理；(b) 设备组成示意图

03 激光-水射流耦合传输过程分析

      激光-水射流耦合传输是水导激光加工技术的核心环节，其传输效率与稳定性直接决定了加工效率、质量及工作距离等关键性能指标。该耦合传输过程主要涉及稳定微细水射流的形成、光源选择与光束整形以及光-水耦合与传输特征分析。

      针对微细水射流稳定性问题，国内外学者主要通过流道结构优化[图2 (a)]以及采用辅助气体[图2 (b)]的方法，提高水射流稳定性，延长紧密段长度。水导激光光源选择主要基于水的光吸收物理特性，以减少水下能量损失[图2 (c)]。此外，借助光路整形技术改善光束质量是提高水导激光加工功率的关键路径[图2 (d)]。针对光-水耦合传输特征，光水耦合相对位置误差改善以及水射流中耦合效应与光斑形貌分析[图2 (e)]为主要研究内容。

图2 激光-水射流耦合传输过程分析。(a) 流道结构优化；(b) 气体辅助下的水射流传输状态；(c) 同一温度下水对不同波长激光的吸收率；(d) 光路整形技术；(e) 光水耦合误差与耦合效应研究

04 水导激光加工应用

      水导激光加工技术在金属材料、半导体材料以及先进复合材料等加工领域具有较高的应用价值。相较于电火花加工(EDM)、常规激光加工等加工技术，水导激光能够在金属材料、半导体硬脆材料以及复合材料等难加工材料上实现高质量制孔与切槽加工，其加工形貌边缘无崩碎、无热影响区、无氧化层[图3 (a)、(b)、(c)]。

      此外，除基础加工应用外，国内外学者积极尝试将水导激光加工技术拓展至材料清洗、表面强化以及表面改性等领域，同样展现出良好的应用潜力[图3 (d)、(e)]。

图3 水导激光加工应用。(a) 水导激光(WJGL)与电火花(EDM)、常规激光(LBM)加工效果对比； (b) 单晶Si水导激光划槽形貌；(c) SiC/SiC复合材料水导激光与飞秒激光制孔加工对比；(d) 材料清洗与材料强化；(e) 单晶Si水导激光表面改性增加亲水性

05 结论与展望

      水导激光加工技术利用全反射原理导引激光进行非接触加工，通过提高水射流稳定性、优化光束质量以及提高耦合效率等关键技术，实现无热损伤、大深径比加工，并广泛应用于金属、半导体及复合材料。

      为进一步提高输出功率、优化加工结果，未来将针对激光光斑直径缩小、激光耦合位置调整以及激光能量在加工表面分布等问题进行研究。

参考文献： 中国光学期刊网

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