水導(dǎo)激光的基本原理是水束全反射導(dǎo)引激光光源，該原理如圖1所示。激光束通過透窗聚焦到耦合水腔底部的噴嘴，與細(xì)如發(fā)絲的水束耦合并在水束與空氣界面發(fā)生全反射（水束即為水光纖），實現(xiàn)激光傳導(dǎo)。激光束照射到工件上以熔融和汽化方式燒蝕去除材料。其中，純凈水以5至60MPa壓力注入耦合腔體內(nèi)。噴嘴直徑一般為20至150μm。水導(dǎo)激光技術(shù)的性能異于傳統(tǒng)激光。首先，圓柱狀水射流導(dǎo)引激光，因此切割面是陡直的，不是斜坡。工作距離可以超過10厘米。這樣長的工作距離是昂貴的聚焦控制光學(xué)器件無法達(dá)到的。其二，水導(dǎo)激光防止了對材料的熱損傷。其三，污染物大為減少。水射流有效地去除激光燒蝕作用產(chǎn)生的熔融物。在切割薄片的過程中，一層薄水膜覆蓋于表面從而避免了顆粒物沉積的污染。水射流作用的機械力小于0.1N，切割過程不會產(chǎn)生碎屑或微裂紋。

水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用水束傳導(dǎo)激光束及其冷卻、沖擊效應(yīng)，加工中具有熱影響區(qū)小、無需實時調(diào)焦、切槽平行、深寬比大等優(yōu)點，在IC、MEMS、3C產(chǎn)品、LED、光伏和光學(xué)元器件等領(lǐng)域的高熔點、高脆硬性、高熔點差復(fù)合材料等難加工材料的高精度、高效率及低損傷加工中被廣泛應(yīng)用，尤其是針對制造芯片的戰(zhàn)略性第三代半導(dǎo)體材料SiC等的劃切設(shè)備。然而，水導(dǎo)激光中，采用傳統(tǒng)的凸透鏡聚焦激光束，存在精密調(diào)焦、光束離焦發(fā)散角、光學(xué)系統(tǒng)像差等問題，耦合失準(zhǔn)易燒灼噴嘴，使裝備成本提高，不利于設(shè)備生產(chǎn)和推廣。

該方向致力于高精度、低損傷、高效的水導(dǎo)激光加工技術(shù)展開研究。緊緊圍繞穩(wěn)定高壓供液系統(tǒng)、生成穩(wěn)定水束光纖的耦合裝置設(shè)計、高質(zhì)量聚焦光束及耦合光纖技術(shù)、水-光束耦合檢測分析等關(guān)鍵核心問題及相關(guān)裝備開發(fā)展開研究。本團(tuán)隊圍繞水導(dǎo)激光技術(shù)裝備開發(fā)，進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。建立了穩(wěn)定高壓供液系統(tǒng)、掌握了穩(wěn)定水束光纖機理、實現(xiàn)了生成穩(wěn)定水束光纖的耦合裝置、完成了水-光束耦合及對中檢測、建立了高容忍度耦合的聚焦光束方案及系統(tǒng)搭建、開展了水導(dǎo)激光加工材料的初步實驗。目前，水導(dǎo)激光加工技術(shù)裝備已完成實驗樣機。該方向獲得國家基金3項，其他項目多項，發(fā)表論文30多篇，專利20多項。后期會不定期更新及發(fā)布FLUENT流場數(shù)值模擬、ZEMAX光學(xué)設(shè)計仿真、液壓系統(tǒng)控制及成像檢測等知識，不定期分享水導(dǎo)激光加工研究過程中積累的經(jīng)驗、心得體會及相關(guān)內(nèi)容，歡迎廣大科研學(xué)者訂閱、學(xué)習(xí)及交流。

特種材料激光加工技術(shù)團(tuán)隊在完成水導(dǎo)激光中穩(wěn)定高壓供液系統(tǒng)、穩(wěn)定水束光纖生成及水-光束耦合等關(guān)鍵核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用無衍射激光束在無衍射區(qū)具有接近平行光束的極小發(fā)散角，長度達(dá)幾十到幾百mm，焦深范圍大，中心光斑小（可達(dá)波長量級），準(zhǔn)直范圍長的特點，通過凹、凸軸棱錐鏡組實現(xiàn)可調(diào)制生成無衍射激光束，降低水導(dǎo)激光中水-光束耦合難度，實現(xiàn)軸向高容忍度水-光束耦合；延伸無衍射光束沿光軸傳輸向的起始位置，提高了無衍射范圍的耦合利用率，解決單凸軸棱錐鏡因小錐角加工精度高的要求，提高了聚焦光機系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可互換性及協(xié)調(diào)性。研究中，采用生成的無衍射激光束耦合水束光纖，獲得了無衍射激光束在長度50mm、70mm的無衍射范圍內(nèi)成功耦合水束光纖，傳輸20mm距離后，耦合效率、傳輸光斑形態(tài)和峰值功率密度基本一致，中心光斑耦合效率約為81%，驗證了在無衍射范圍內(nèi)的軸向隨機耦合特性。