水導(dǎo)激光基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)
2023-11-11 14:19:31
水導(dǎo)激光基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)
激光是 21 世紀(jì)最具代表的科技產(chǎn)物，其最常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)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(shí)在沖擊波的作用下將熔融材料微粒吹開(kāi)，從而對(duì)工件進(jìn)行切割、鉆孔等加工作業(yè)。這種加工方式因?yàn)橛袑?duì)工件的切割面四周產(chǎn)生熱損傷及熔融微粒沾污的問(wèn)題，所以在超硬材料和精密微加工中的應(yīng)用受到限制。
1993年，瑞士科學(xué)家Beruold Richerghagen首先提出了水射流導(dǎo)向激光技術(shù)，亦稱(chēng)為水導(dǎo)激光技術(shù)或微水刀激光技術(shù)或者微射流激光技術(shù)，隨后在全球范圍內(nèi)開(kāi)展了一系列水導(dǎo)激光技術(shù)針對(duì)不同超硬材料的切割加工研究。
目前水導(dǎo)激光可以應(yīng)用于第三代半導(dǎo)體材料、新能源、航空航天和電子制造等前沿領(lǐng)域中的半導(dǎo)體材料、陶瓷、硬質(zhì)合金和復(fù)合材料等超硬脆性材料組成的核心器件加工，并展現(xiàn)出巨大的規(guī)模化應(yīng)用前景。
一、 水導(dǎo)激光的加工原理
水導(dǎo)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(shí)現(xiàn)加工的過(guò)程。
一般是大功率的激光器采用光纖耦合輸出方式，通過(guò)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(dǎo)向激光作用于加工件表面。這種獨(dú)特的激光與水射流耦合的加工方法會(huì)產(chǎn)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(qū)域保持冷卻和干凈。同時(shí)在加工過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行激光聚焦和距離控制。
由于水導(dǎo)激光的技術(shù)全能性，其可以加工各種厚度范圍的各種難加工材料，同時(shí)還不會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)和微裂紋等缺陷。因此，水導(dǎo)激光技術(shù)完美地解決了復(fù)雜和精密加工的需求。下圖是傳統(tǒng)激光與水導(dǎo)激光加工的對(duì)比圖。
水導(dǎo)激光加工(Water-jet guided laser，WJGL)技術(shù)是一種新型的微加工技術(shù)，該方法具有加工精度高，重鑄層厚度小，熱影響區(qū)小，幾乎無(wú)微裂紋，無(wú)熱應(yīng)力，有效加工距離長(zhǎng)，切縫平直且邊緣光滑無(wú)毛刺等優(yōu)勢(shì)。
水導(dǎo)激光加工原理的研究涉及激光、材料、流體、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科，交叉性強(qiáng)，其中水與激光的耦合技術(shù)是該加工方法的關(guān)鍵技術(shù)。激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、聚焦后進(jìn)入噴嘴孔，當(dāng)激光入射角大于全反射的臨界角時(shí)，激光在水—空氣界面發(fā)生全發(fā)射，激光在水的引導(dǎo)下，保持一個(gè)恒定的激光能量密度，到達(dá)加工材料表面，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。
水導(dǎo)激光是一種先進(jìn)激光與光子制造技術(shù)，其利用激光在水與空氣的界面上發(fā)生全反射的現(xiàn)象，將激光約束在直徑幾十微米的微細(xì)水射流中，水射流內(nèi)保持極高的激光能量密度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的去除。
相比傳統(tǒng)激光切割加工，水導(dǎo)激光加工優(yōu)勢(shì)如下：
1) 水射流是圓柱體結(jié)構(gòu)能使傳導(dǎo)的激光平行輸出，所以激光切割面高度平行，不產(chǎn)生錐度。
2) 加工深度取決于水流長(zhǎng)度，長(zhǎng)度可以超過(guò)10 cm，而且不需要昂貴的聚焦光學(xué)系統(tǒng)。
3) 水導(dǎo)激光降低了脈沖激光加工對(duì)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(dǎo)激光光源
在科學(xué)層面，這是一項(xiàng)公開(kāi)技術(shù)，早已實(shí)現(xiàn)突破，其難點(diǎn)在于技術(shù)的工程化應(yīng)用。目前在全球范圍，水導(dǎo)激光相關(guān)的核心產(chǎn)品主要來(lái)自?xún)杉胰鹗抗尽猄ynova（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(dǎo)激光在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于珠寶加工行業(yè)，近幾年隨著新材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，水導(dǎo)激光的市場(chǎng)需求激增，尤其是對(duì)SIC碳化硅、高溫合金等高熔點(diǎn)、高硬度、高韌性金屬?gòu)?fù)合材料的加工、切割。
綠光在水中傳輸損耗小，而且波長(zhǎng)短，材料對(duì)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(jīng)成為水導(dǎo)激光技術(shù)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)光源。
水導(dǎo)激光加工設(shè)備對(duì)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(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)方式獲得基頻1064 nm脈沖激光輸出，然后通過(guò)非線(xiàn)性頻率變換技術(shù)，倍頻得到532 nm脈沖激光。倍頻方式有腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻兩種。由于KTP晶體的抗損傷閾值比較低，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)有“灰跡效應(yīng)”，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(nèi)高峰值功率的激光振蕩，會(huì)增加腔內(nèi)光學(xué)元件和膜層的損傷風(fēng)險(xiǎn)，更高功率綠光一般采用種子源+放大器（MOPA）的結(jié)構(gòu)先獲得高功率基頻1064 nm激光，再通過(guò)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(guān)鍵技術(shù)。
目前，瑞士Synova（禧諾琺）公司的水導(dǎo)激光加工設(shè)備采用的是20—400 W綠光光源，脈寬低至20 ns。同類(lèi)激光器，國(guó)外已經(jīng)可以達(dá)到400 W以上的激光功率，國(guó)內(nèi)只有中科院理化所、中電十一所、中國(guó)工程物理研究院、核工業(yè)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(biāo)尚未達(dá)到應(yīng)用需求，并且尚未有成熟的工業(yè)產(chǎn)品推出。因此，對(duì)于國(guó)內(nèi)水導(dǎo)激光技術(shù)的發(fā)展，激光器作為其核心器件之一，也是制約其技術(shù)水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
三、 應(yīng)用領(lǐng)域
硬質(zhì)材料：聚晶立方氮化硼 (PCBN)、聚晶金剛石 (PCD)、單晶金剛石 (MCD)、化學(xué)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(jí)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(tǒng)激光與水導(dǎo)激光演示
?1、水導(dǎo)激光切割演示
?2、傳統(tǒng)激光切割演示
? 五、詳細(xì)了解了水導(dǎo)激光后，您是否覺(jué)得水導(dǎo)激光是超硬材料加工的終極利器呢？