封面展示了水導(dǎo)激光耦合能束的形成過程與加工狀態(tài)。準(zhǔn)直后光束經(jīng)過聚焦鏡聚焦，穿過玻璃窗口進(jìn)入高壓耦合水腔，在噴嘴處與微細(xì)水射流耦合，形成耦合能束并射出。在耦合能束內(nèi)部，水射流基于全反射原理限制激光的軸向傳輸。耦合能束四周的輔助氣體能夠延長(zhǎng)耦合能束長(zhǎng)度并避免反沖水對(duì)傳輸過程的干擾。耦合能束作用于工件表面，實(shí)現(xiàn)無崩碎、錐度小的優(yōu)良加工質(zhì)量。

01 背景介紹

      隨著國(guó)家航空航天、汽車制造、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱部件、集成電路半導(dǎo)體晶圓以及心血管支架等關(guān)鍵部件的加工精度與質(zhì)量要求日益提高。而傳統(tǒng)機(jī)械加工與激光加工在加工質(zhì)量、加工效率等方面存在局限，難以滿足高質(zhì)高效的加工需求。

      水導(dǎo)激光加工技術(shù)(WJGL)，作為一種新型激光復(fù)合加工技術(shù)，兼具長(zhǎng)脈沖激光高加工效率和低加工成本的同時(shí)，有效了加工過程中的嚴(yán)重?zé)釗p傷問題，實(shí)現(xiàn)近似于超快激光的加工效果。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究起步較晚，研制全國(guó)產(chǎn)化水導(dǎo)激光加工裝備亟待推進(jìn)。

      哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊立軍教授團(tuán)隊(duì)綜述了水導(dǎo)激光加工技術(shù)的工作原理與設(shè)備組成、激光-水射流耦合傳輸過程分析以及該技術(shù)在金屬、半導(dǎo)體以及復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用，旨在深入分析水導(dǎo)激光加工的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，為相關(guān)研究人員提供全面參考，推動(dòng)全國(guó)產(chǎn)化水導(dǎo)激光加工裝備的發(fā)展與應(yīng)用。

02 水導(dǎo)激光技術(shù)原理與設(shè)備組成

      水導(dǎo)激光加工技術(shù)基于全反射原理，將光束限制在微細(xì)水射流內(nèi)部形成耦合能束，將激光能量傳輸至工件表面進(jìn)行加工[圖1 (a)]，具有無嚴(yán)重?zé)崛毕?、工作距離長(zhǎng)、加工深徑比大以及加工精度高等優(yōu)勢(shì)。水導(dǎo)激光加工裝備主要由光學(xué)系統(tǒng)、水射流發(fā)生系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、耦合系統(tǒng)以及可視化耦合調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部分組成 [圖1 (b)]。

      水射流發(fā)生系統(tǒng)中除常規(guī)穩(wěn)壓供水裝置外，還應(yīng)配備反滲透裝置、真空除氣裝置等水精華裝置，以滿足水導(dǎo)激光加工技術(shù)對(duì)于水質(zhì)的極高要求。此外，光束耦合系統(tǒng)?的耦合頭通常垂直放置，避免水射流由于重力發(fā)生彎曲，導(dǎo)致激光逸出水射流，造成耦合失敗。

圖1 水導(dǎo)激光技術(shù)原理與設(shè)備組成。(a) 水導(dǎo)激光工作原理；(b) 設(shè)備組成示意圖

03 激光-水射流耦合傳輸過程分析

      激光-水射流耦合傳輸是水導(dǎo)激光加工技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，其傳輸效率與穩(wěn)定性直接決定了加工效率、質(zhì)量及工作距離等關(guān)鍵性能指標(biāo)。該耦合傳輸過程主要涉及穩(wěn)定微細(xì)水射流的形成、光源選擇與光束整形以及光-水耦合與傳輸特征分析。

      針對(duì)微細(xì)水射流穩(wěn)定性問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化[圖2 (a)]以及采用輔助氣體[圖2 (b)]的方法，提高水射流穩(wěn)定性，延長(zhǎng)緊密段長(zhǎng)度。水導(dǎo)激光光源選擇主要基于水的光吸收物理特性，以減少水下能量損失[圖2 (c)]。此外，借助光路整形技術(shù)改善光束質(zhì)量是提高水導(dǎo)激光加工功率的關(guān)鍵路徑[圖2 (d)]。針對(duì)光-水耦合傳輸特征，光水耦合相對(duì)位置誤差改善以及水射流中耦合效應(yīng)與光斑形貌分析[圖2 (e)]為主要研究?jī)?nèi)容。

圖2 激光-水射流耦合傳輸過程分析。(a) 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(b) 氣體輔助下的水射流傳輸狀態(tài)；(c) 同一溫度下水對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收率；(d) 光路整形技術(shù)；(e) 光水耦合誤差與耦合效應(yīng)研究

04 水導(dǎo)激光加工應(yīng)用

      水導(dǎo)激光加工技術(shù)在金屬材料、半導(dǎo)體材料以及先進(jìn)復(fù)合材料等加工領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。相較于電火花加工(EDM)、常規(guī)激光加工等加工技術(shù)，水導(dǎo)激光能夠在金屬材料、半導(dǎo)體硬脆材料以及復(fù)合材料等難加工材料上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量制孔與切槽加工，其加工形貌邊緣無崩碎、無熱影響區(qū)、無氧化層[圖3 (a)、(b)、(c)]。

      此外，除基礎(chǔ)加工應(yīng)用外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極嘗試將水導(dǎo)激光加工技術(shù)拓展至材料清洗、表面強(qiáng)化以及表面改性等領(lǐng)域，同樣展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[圖3 (d)、(e)]。

圖3 水導(dǎo)激光加工應(yīng)用。(a) 水導(dǎo)激光(WJGL)與電火花(EDM)、常規(guī)激光(LBM)加工效果對(duì)比； (b) 單晶Si水導(dǎo)激光劃槽形貌；(c) SiC/SiC復(fù)合材料水導(dǎo)激光與飛秒激光制孔加工對(duì)比；(d) 材料清洗與材料強(qiáng)化；(e) 單晶Si水導(dǎo)激光表面改性增加親水性

05 結(jié)論與展望

      水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用全反射原理導(dǎo)引激光進(jìn)行非接觸加工，通過提高水射流穩(wěn)定性、優(yōu)化光束質(zhì)量以及提高耦合效率等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無熱損傷、大深徑比加工，并廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體及復(fù)合材料。

      為進(jìn)一步提高輸出功率、優(yōu)化加工結(jié)果，未來將針對(duì)激光光斑直徑縮小、激光耦合位置調(diào)整以及激光能量在加工表面分布等問題進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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