哈尔滨工业大学杨立军教授：水导激光加工，高端装备精密加工技术新突破 | 中国激光·封面

哈尔滨工业大学杨立军教授团队撰写的“水导激光耦合、传输机理与应用研究现状”被选为《中国激光》“水导激光技术与应用”专题的封面文章，文章系统性综述了水导激光加工技术，介绍了其工作机制、关键环节、应用领域及未来发展趋势。具体内容如下：

专题背景

• 《中国激光》组织策划“水导激光技术与应用”专题，共收录24篇优秀论文，涵盖水导专用激光技术、水射流稳定化技术与模拟、耦合能束控制技术与模拟、水导激光材料加工技术与理论、水导激光的应用等新技术的发展与探索。
• 哈尔滨工业大学杨立军教授团队受邀撰写的文章被选为专题封面文章。

文章内容

• 工作机制：介绍水导激光技术的工作机制，探讨微细水流形成、光源选择与光路整形以及光 - 水耦合能束传输特性。
• 应用现状：讨论该技术在金属、半导体、复合材料等领域制备微结构的应用现状。
• 未来展望：展望水导激光加工技术的未来发展趋势。

水导激光加工技术背景

• 需求推动：随着航空航天、汽车制造、生物医疗等领域发展，关键部件加工精度与质量要求提高，传统机械加工与激光加工难以满足高质高效需求。
• 技术优势：水导激光加工技术兼具长脉冲激光高加工效率和低加工成本，有效抑制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。
• 国内现状：国内对该项技术研究起步较晚，研制全国产化水导激光加工装备亟待推进。
• 团队目标：杨立军教授团队综述水导激光加工技术相关内容，旨在深入分析关键技术难点，为研究人员提供参考，推动全国产化水导激光加工装备的发展与应用。

水导激光技术原理与设备组成

• 技术原理：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，传输至工件表面进行加工，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。
• 设备组成：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。

  水射流发生系统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，以满足水质要求。

  光束耦合系统的耦合头通常垂直放置，避免水射流弯曲导致耦合失败。

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) 设备组成示意图激光 - 水射流耦合传输过程分析

• 核心地位：激光 - 水射流耦合传输是水导激光加工技术的核心环节，传输效率与稳定性直接决定加工效率、质量及工作距离等关键性能指标。
• 主要涉及内容：

  稳定微细水射流的形成：国内外学者主要通过流道结构优化以及采用辅助气体的方法，提高水射流稳定性，延长紧密段长度。

  光源选择与光束整形：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。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。

  光 - 水耦合与传输特征分析：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水导激光加工应用

• 基础加工应用：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应用价值，能在难加工材料上实现高质量制孔与切槽加工，加工形貌边缘无崩碎、无热影响区、无氧化层。
• 拓展应用领域：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，展现出良好的应用潜力。

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结论与展望

• 技术优势总结：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。
• 未来研究方向：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。

课题组介绍

• 实验室概况：哈尔滨工业大学激光微纳加工实验室由杨立军教授创立，研究方向涵盖超快激光微纳结构制备与工艺装备、激光复合机械加工、超快激光增减材协同制备技术、水导激光精密制造技术、微纳探针制造等领域，服务于制造、军事、医学等行业。
• 人员构成：现有教授3名，副教授2名，副研究员2名。
• 项目成果：参与国家重点研发计划、自然科学基金重点项目、国家科技重大专项项目以及一批省部级重点项目于国际合作项目20余项。近年来在Nature Commun、ESM、AFM等杂志发表相关论文100余篇，授权专利20余项。

通信作者简介

• 王水旺：哈尔滨工业大学苏州研究院副研究员，国家重点研发计划及涉密专项骨干。研究方向包括水导激光加工工艺研究，水导激光加工装备研发等，发表高水平SCI论文数篇，授权多项发明专利，多次参加国内高水平会议并作报告。
• 丁烨：哈尔滨工业大学副教授，国家重点研发计划负责人，主持国家纵向项目、国家自然科学基金青年基金10余项，发表高水平论文60余篇，申请发明专利20余项，协作专著两本。
• 杨立军：工学博士，教授，博士生导师，国家级高层次人才，哈尔滨工业大学科学与工业技术研究院基础创新处副处长、机电工程学院航空宇航制造工程系主任。十三五国家重点研发计划增材制造与激光制造重点专项、十四五国家重点研发计划工程科学与综合交叉重点专项的首席科学家。从事难加工材料的激光作用机理、精细结构的表面创成机制及性能表征、超快激光微纳制造技术及应用、激光复合加工技术与装备等方面的研究工作。主持国家重点研发计划、自然科学基金重点项目、国家科技重大专项项目以及一批省部级重点项目和国际合作项目20 余项。近年来，获国家教学成果二等奖1项，省部级科学技术一等奖 2 项，二等奖 4 项，发表高水平学术论文 200 余篇，获授权发明专利 35 项。

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