瑞士西諾瓦公司（Synova）是一家專注研發(fā)水射流激光技術(shù)的公司，自1994年Laser MicroJet（LMJ）專利首次注冊(cè)認(rèn)證以來，經(jīng)過近30年發(fā)展，目前已在航空航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)激光熱加工的方式，這種加工方式是將激光與細(xì)如發(fā)絲的水射流相結(jié)合，并以類似于傳統(tǒng)光纖的方式通過全內(nèi)反射精確引導(dǎo)激光束。

在水射流激光加工過程中，經(jīng)過高壓噴射出的水流可以持續(xù)冷卻切割區(qū)，有效去除激光切割生成的碎屑。作為一種“冷、清潔、可控的激光器”，LMJ技術(shù)可有效解決傳統(tǒng)激光器加工中容易產(chǎn)生的一些問題，如熱損傷、污染、變形、碎屑沉積、氧化、微裂紋和錐度。

百年前的工藝初探

1841年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Daniel Colladon教授首次在學(xué)校演講廳講解基于全內(nèi)反射稱為“光導(dǎo)”的光學(xué)現(xiàn)象。同年，他在巴黎藝術(shù)與科學(xué)天文臺(tái)展示了模型。這是世界上首次提出將光和水融合的理論。

Daniel Colladon的模型使用了電弧燈作為光源。一個(gè)鏡頭將光線聚焦通過水箱，并沿著從另一側(cè)噴出的一個(gè)洞上再次進(jìn)行聚焦。當(dāng)水中光線以一定角度掃過水射流邊緣時(shí)，全內(nèi)反射將光線“困”在液體中。光線沿著水射流的方向進(jìn)行彎曲弧形反彈，直到濺入收集盤中。實(shí)際上，通過這樣一個(gè)裝置，實(shí)現(xiàn)了讓光線沿著水的曲線移動(dòng)。

1889年巴黎世博會(huì)期間，這項(xiàng)發(fā)明首次應(yīng)用在照亮噴泉上，向世人展示。180年后的今天，同樣的導(dǎo)光效果也發(fā)生在光纖中。作為瑞士科學(xué)家的后人，同時(shí)也是Synova公司的創(chuàng)始人Bernold Richerzhagen，發(fā)明的水射流激光工藝與Colladon的實(shí)驗(yàn)類似，但在水射流中使用的是激光束而不是白光，體積小得多，壓力也更高。

后繼有人

Richerzhagen獲得德國亞琛工業(yè)大學(xué)機(jī)械碩士學(xué)位后，在攻讀博士學(xué)位期間獲得了一項(xiàng)用于牙科應(yīng)用的激光項(xiàng)目資助，目的是開發(fā)用于牙科應(yīng)用（去除齲齒）的激光能量傳輸系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)，Richerzhagen考慮了兩種在激光鉆孔過程中冷卻牙齒的方法。一種是噴水，另一種是用水射流的全反射引導(dǎo)激光鉆孔。

最終，Richerzhagen決定采用第二種方法，因?yàn)樗淞饕龑?dǎo)激光具有明顯的優(yōu)勢(shì)：平行激光束、長焦距和快速冷卻，從而可以避免熱損傷，因?yàn)檠例X周邊的神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)溫度變化非常敏感。他將激光束和水射流耦合的第一臺(tái)原型機(jī)采用了脈沖激光（開始用染料激光，后來用YAG紅外激光），10bar水壓，水源是去離子水，以及高壓水射流噴嘴（直徑100μm）。

該裝置基于準(zhǔn)靜止水流理論，以在自由水射流中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的層流。水從腔室中持續(xù)、均勻地加速直到通過噴嘴。如圖1所示，其特點(diǎn)是將光學(xué)器件和水射流耦合分開，使用高質(zhì)量噴嘴產(chǎn)生穩(wěn)定水射流。激光束再通過水室中的窗口聚焦到水射流噴嘴上，并耦合到從噴嘴噴出的水射流中。

但實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有達(dá)到Richerzhagen的心理預(yù)期，事實(shí)上盡管實(shí)驗(yàn)計(jì)算和模擬表明所有激光束都應(yīng)該通過噴嘴，但噴嘴很容易損壞。與此同時(shí)，他也積極準(zhǔn)備專利申請(qǐng)（LASAG，編號(hào)FR 2 676 913，1991年5月）。之后兩年，Richerzhagen專注解決噴嘴易損壞的問題，探究激光束沒有準(zhǔn)確聚焦到噴嘴的實(shí)際原因。

經(jīng)過研究，Richerzhagen找到了導(dǎo)致噴嘴損壞的癥結(jié)。他發(fā)現(xiàn)在每個(gè)脈沖期間，水吸收了一小部分激光能量后就轉(zhuǎn)化為熱量。水溫持續(xù)升高導(dǎo)致了折射率不斷發(fā)生變化，這會(huì)產(chǎn)生所謂的“負(fù)透鏡”效應(yīng)。激光脈沖后一段時(shí)間，水由于熱傳導(dǎo)和對(duì)流等熱交換過程而冷卻。結(jié)果，折射率再次上升至初始水平。這時(shí)，熱導(dǎo)透鏡失去了作用。這種現(xiàn)象稱為熱暈或熱散焦。

傳輸損耗隨著脈沖能量的增加而增加，熱散焦導(dǎo)致了耦合出現(xiàn)問題。這種散焦也致使激光束變寬，焦點(diǎn)位置發(fā)生偏移。因此，有相當(dāng)一部分的激光能量打在了焦點(diǎn)以外的區(qū)域，從而引發(fā)了噴嘴損壞。

在確定水溫升高對(duì)激光束產(chǎn)生影響后，Richerzhagen的下一個(gè)任務(wù)是測量激光束穿過水時(shí)的變化。通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)證和數(shù)學(xué)計(jì)算，他找到了確定折射率與水溫間關(guān)系的準(zhǔn)確方法。更進(jìn)一步，他又通過數(shù)值模擬重現(xiàn)對(duì)熱散焦下光束輪廓的實(shí)驗(yàn)測量。1993年，Richerzhagen成功展示了第一臺(tái)燒蝕材料的水射流導(dǎo)向激光器，并最終在1994年完成了對(duì)這項(xiàng)發(fā)明的專利申請(qǐng)，銷售商標(biāo)為Laser MicroJet?（LMJ），工作原理如圖2所示。

一種全新的激光加工技術(shù)

目前，從Synova公司公布的信息顯示，其激光器使用的是半導(dǎo)體泵浦固態(tài)脈沖Nd：YAG激光器，脈沖持續(xù)時(shí)間以微秒或納米秒計(jì)算，波長為1064nm或532 nm，平均激光功率范圍20W-400W。在 50-800bar下每小時(shí)的耗水量在10升左右，引起的力可以忽略不計(jì)（<0.1牛）。噴嘴是由藍(lán)寶石或鉆石制成，足夠的硬度保證長時(shí)間噴出長而穩(wěn)定的水射流。

水射流導(dǎo)向激光（激光微射流）是一種革命性的切割技術(shù)，既有水射流切割低溫、工作距離大的優(yōu)點(diǎn)，又兼具常規(guī)激光切割的精度和速度。因此，該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，并在其他非常規(guī)加工方法（EDM、激光、磨削、磨料水射流）中展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比傳統(tǒng)激光束和微射流激光束，由于激光束的發(fā)散，傳統(tǒng)的對(duì)焦激光束工作距離有限，從幾毫米到幾分之一毫米，不僅需要精準(zhǔn)對(duì)焦和距離控制，還限制了切邊的長寬比，錐形激光束產(chǎn)生非平行加工壁。另外，激光熱加工中廢料粒子發(fā)生沉積后，廢料去除效率低，且易產(chǎn)生毛刺。

激光微射流技術(shù)用的是一束在空氣—水界面完全反射的激光束。光束的加工距離超過10厘米且能形成平行切邊，無需對(duì)焦或距離控制。切割面不平也不成問題，可進(jìn)行3D切割，可變切割深度高達(dá)幾厘米。 柱狀激光可產(chǎn)生平行切割壁，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量切削效果，長寬比較高，切邊寬度很小（>20μm），能以更小的材料損耗實(shí)現(xiàn)同樣深的切削效果。

水射流的冷卻作用可避免熱損傷和材料變化，從而保持了較高的強(qiáng)度。薄薄的水膜消除了廢料粒子的沉積和污染，無需加工表面保護(hù)層，高動(dòng)能的水射流噴出熔融物質(zhì)，避免毛刺形成。

事實(shí)證明，激光微射流技術(shù)特別適于加工切邊非常薄、表面涂層精致以及易于變形、熱敏感的高精密工件，比如半導(dǎo)體行業(yè)。柱狀導(dǎo)向激光切割質(zhì)量優(yōu)良，材料損失小，是平行切削脆性材料和硬材的理想解決方案。
當(dāng)前，Synova公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)仍在不斷研究、改進(jìn)、優(yōu)化解決方案。激光微射流技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于許多工業(yè)部門加工各種材料，通常是高科技材料如陶瓷復(fù)合材料或需要高質(zhì)量表面光潔度的CVD工具。各國研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開始開發(fā)水射流導(dǎo)向激光技術(shù)的應(yīng)用。 可以預(yù)見，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景一片光明。