空化现象对水导激光微水束稳定性的影响研究

为了探寻空化现象对水导激光微水束稳定性影响,利用计算流体动力学的方法,分别在不考虑空化和考虑空化的情况下,对从典型喷嘴出射的水射流进行了数值模拟分析,研究了空化现象的产生机理及对微水束稳定性的影响。结果表明,在入口直径为0.1 mm、圆柱段长径比为1、上边缘锐利的喷嘴结构下,随着入口压力从0.2 MPa增大到16 MPa,水射流与喷嘴壁面分离后再次附着的长度逐渐增大,并且空化会导致该长度延长;在入口压力小于6 MPa的情况下,不考虑空化的水射流在稳定后会贴着喷嘴壁面流下,而添加空化模型使得水束形成翻转流。该研究对设计满足水导激光工艺的喷嘴结构有着重要的参考价值。

水导激光加工技术及其应用

文章对水导激光加工技术及其应用进行了较为详尽的综述。首先介绍了水导激光的特征,并对水束光纤的形成机理进行了分析;根据加工方式的不同,在打孔、切割、切槽等不同应用领域进行了介绍;最后针对现有技术的不足,对其发展趋势进行了展望。

水导激光微细加工中激光与水束光纤耦合技术

为了保证水导激光微细加工中会聚激光与水束光纤的耦合效果,建立了由一个高精度耦合对准检测调整系统和一个特殊结构耦合装置组成的新的耦合系统,并提出了新的耦合对准方法。由于激光要经过空气层、玻璃层、水层进入水束光纤,因此根据计算结果,采用激光烧斑法来确定会聚透镜与水束光纤起始端(喷嘴孔)的距离;研究了激光在水束光纤中发生全反射的最大入射角;通过流体动力学仿真,设计了腔内流场分布均匀的耦合装置,保证了直径0.12 mm的水束光纤的高耦合品质;研究了激光能量在水束光纤中的衰减,采用特定波长和脉冲能量的激光和特殊过滤的去离子水来减小激光能量在水束光纤中耦合的损耗率。实验结果表明,水束光纤导光长度超过100 mm;采用该耦合技术能够在0.2 mm厚的硅基晶片上以2 mm/s速度切割出缝宽为0.12 mm的均匀窄缝,且几乎无裂纹、无热影响区。该耦合技术能够很好地满足水导激光微细加工的要求。

新型水导引激光耦合系统研究

由于现有水导引激光系统存在对激光焦点和喷嘴口中心点的耦合要求高的缺点,利用轴棱锥产生的无衍射光束具有中心光斑直径小且传播距离远的特性,设计了一种用轴棱锥替代聚焦透镜的新型水导引激光耦合.该系统是基于现有的水导引激光原理,利用无衍射光束的特性,扩大了激光与水束的耦合区域,降低了耦合精密度要求.同时,具有加工距离长、无热影响区等优点,该系统的研究也扩展了无衍射光束应用领域.

微水导激光切割玻璃的耦合装置设计

为了解决激光切割钢化玻璃过程中由于热应力导致产生裂纹并发生破裂的技术难题,建立了光液耦合模型,采用FLUENT软件进行了耦合腔内多场分析,获得了微水导激光切割钢化玻璃的工艺参量。结果表明,在喷口口径为0.4mm、水束压力为20MPa、激光功率为48W、切割速率为20mm/s的工艺条件下,厚度为0.5mm及1.0mm的玻璃试样的切割表面均比较光滑、基体内无微裂纹存在,切缝宽度约为100μm。该双注水口耦合装置的设计是合理的,能够满足钢化玻璃切割工艺的要求。

微水导激光稳定水束光纤的CFD仿真研究

利用计算流体力学（CFD）的方法对水射流进行了气／液两相流数值模拟分析，研究了一定喷嘴结构下获得最大稳定射流长度时所需的入口速度大小，分析了不同速度下射流破碎长度和稳定长度的及射流破碎形式，并验证了射流的缩流现象。计算结果表明，在直径为0．2mm，长径比为2．5，入口无倒角的喷嘴结构下，喷射速度50～200m／s时，可获得的水射流最大稳定长度70ram。液体经喷嘴喷出时，在喷嘴口会产生缩流，缩流后射流直径约为喷嘴直径的80％～85％。

基于离轴光学系统的水导激光耦合技术研究

在水导激光加工中,聚焦激光与微细水束的耦合对准效果是实现水导激光稳定加工的关键。为了提高水导激光的耦合对准精度,提出了一种新的耦合对准方法,即采用一种双透镜离轴光学系统,系统中一透镜进行轴向移动从而调节束腰轴向位置,另一透镜与喷嘴一起进行径向移动从而调节束腰径向位置。该方法可以有效提高对准装置的分辨率,从而实现高精度的耦合对准。对该方法进行了理论分析,并根据理论分析进行了实验装置的设计。实验结果表明该方法将耦合对准装置的径向分辨率提高了5倍,与预期设计相符。应用该方法成功将激光耦合进入直径100μm的喷嘴中实现水导激光加工,该方法也是离轴光学系统的一个创新应用。

共孔径偏振耦合分光系统中反射镜造成的相位延迟差的测量

激光信标共孔径发射接收偏振分光系统的动态相位补偿需要测量望远镜各反射镜对S光和P光的相位延迟差。利用Stokes矢量和Mucller矩阵建立了物理模型，并推导出用测得的回光功率计算相位延迟差的解析式。提出一种通过实验测量回光功率计算反射镜相位延迟差的方法，解决了在0～2π范围内唯一确定反射镜相位延迟差的问题。实际测量了两块反射镜的相位延迟差，并将测量结果用于动态相位补偿偏振分光实验，验证了该方法的正确性。分析了偏振分光棱镜、法拉第旋光器以及近似计算这3个主要的测量误差源，并估计总测量误差约为1°。

红外激光与微水束耦合对准工艺研究

红外激光与微水束耦合划切技术是激光划切应用的前沿领域,在硅晶圆、宝石、陶瓷等材料高精度切割方面具有优势,有效地减小了材料的热损伤和熔渣残留。红外激光束与微水束的耦合对准是研究的关键技术。为保证微水束光纤与激光光束耦合的效果,本文设计了高精度三维耦合对准调整结构,结构主要由准直聚焦光路系统、微孔CCD观测系统、二维微位移平台、耦合装置组成;研究了汇聚激光焦平面与微水束起始端(喷口元件)共面调整的关键工艺和激光光束与喷口元件对准的关键工艺;提出了借助屏幕十字线实现两次对准的工艺方法。经试验验证,微水束耦合激光长度稳定,质量良好,可实现对硅基衬底晶圆等材料的高效无损、高精密划切。

微水导激光划片工艺原理及应用

从应用需求出发,介绍了微水导激光划片工艺的主要原理和特点;对其关键工艺机构中的光学聚焦系统、激光在水柱中的全反射传播、激光系统、压力水腔和喷嘴组成的光液耦合器等原理进行了简单分析和介绍;对微水导激光划片工艺的应用前景进行了总结和展望。

水导激光切割技术研究现状

水导激光切割技术是一项利用水束导引激光到加工平面的新型切割技术,由于其热影响区小、加工精度高、无污染等优点受到了众多研究者的广泛关注。本文首先阐述了水导激光切割利用激光在空气和水交界面发生全发射的原理及其相对于传统激光切割的优势,其次从理论与工艺两个方面综述了水导激光切割的国内外研究进展,总结了水导激光设备的发展现状,最后针对水导激光切割的技术难点进行分析并且展望了该技术未来发展的趋势。

水导激光技术中水-光耦合传能规律研究

水-光耦合传输效率是实现水导激光可加工性的前提与效率保证。为了研究水导激光中水-光耦合传能规律,得到较高的水束中激光功率传输效率和均匀的激光功率密度分布,采用光线追迹原理及物理光学传播方法,仿真分析了1064nm激光束聚焦后的光束特性及水-光耦合后水束中激光光斑分布形态,并对不同水束长度下激光功率传输效率,以及不同功率、压力和水束长度下激光功率密度分布情况进行了系统的实验检测分析。结果表明,随着水束长度的减小,1064nm激光在水束中功率传输效率越高,在水束长度为20mm时,激光功率传输效率可达63.6%;激光功率的变化对水束中激光功率密度分布影响最大;当激光功率不变时,在水束稳定长度范围内水压的增大有利于水束中激光功率密度均匀化分布,而耦合水束长度的减小可以提高激光传输效率。研究结果为提高水导激光中能量利用率有一定的指导意义。

水导激光耦合装置结构设计及流场仿真（英文）

为了进一步降低传统耦合装置的加工成本和制作时间,提升水导激光耦合装置的加工质量和效率性能,根据水导激光微细加工的工作原理,设计出了环形凹槽和等距柱型流道结构的新型耦合装置。通过SolidWorks软件构建轴对称射流水腔的三维数值模型,并用ANSYS Fluent软件对其进行数值模拟流场仿真,分析了水腔内部速度矢量图、流线图和射流出口处气液两相流仿真图。结果表明:在进水口径8 mm、入口速度1 m/s、喷口口径0. 25 mm的设置条件下,水导激光耦合装置各个剖面的速度矢量平稳、紧密,喷口处水流均衡稳定、无波动。该耦合装置结构设计合理可靠,完全能够满足水导激光微细加工设计和使用要求。

航空发动机涡轮叶片气膜孔加工工艺

气膜冷却结构是影响涡轮叶片承温能力的重要因素,为实现高质量涡轮叶片气膜孔的加工,系统总结了电液束打孔、电火花打孔和激光打孔三项传统气膜孔加工方法的特点、局限性和应用现状,并阐述了新的气膜孔加工技术,具体分析了飞秒激光打孔、水导激光打孔和组合加工技术的原理、研究和应用现状。其中飞秒激光加工可以实现无热应力、无再铸层、无微裂纹高质量气膜孔的加工,且技术成熟度相对较高,在国内部分航空发动机型号上已得到成功应用,逐步成为国内以后气膜孔加工技术的发展方向。

水导激光微加工机理与研究进展

随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展,组成元件逐步迈向微型化和精细化,这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比,激光加工可实现“非接触”加工,加工材料的适应性好、柔性大。但单一的激光加工得到的切口存在明显的锥度,且易出现热影响区、毛刺、裂纹等缺陷。水导激光加工技术利用水射流“同轴”全反射导引激光,兼具高质量和高效加工的优势,因而得到了广泛研究和应用。为对水导激光加工技术进行较为详尽的综述,本文首先讨论了水射流的形成、衰减和发散过程,然后从水的光学特性、全反射形成条件以及耦合能束传输等方面对激光-水射流耦合进行了分析,最后介绍了水导激光在金属、半导体以及复合材料等领域的应用现状,并针对现有技术的不足,对其发展趋势进行了展望。

新型水导激光水-气缩流机理分析及初步加工试验验证

水导激光加工技术因加工材料表面热影响小,加工深度能力强等优点展现出优越的加工能力。研究基于水导激光加工机理,提出一种新型水导激光缩流导光方法,分析了缩流机理,并通过激光与缩流层流水柱高效耦合试验与材料加工试验验证其加工方法可行性。试验结果表明,保持气压不变,随着水压的增大,缩流层流水柱的速度、直径及长度不断增大;保持水压不变,随着气压的增大,层流水柱速度逐渐增大,直径和长度逐渐减小。同时,通过调节激光与层流水柱耦合最优传导激光条件下进行加工试验。对比空气中加工结果,水-气缩流传导激光加工技术在热影响区和热堆积上有明显的改善,初步验证新型水-气缩流传导激光加工技术的可行性。

水导激光可适用性光束聚焦模式对比分析

水导激光加工技术中,高质量光束对耦合效率起着关键性的作用。为了解决水-光耦合技术的难题,使水导激光加工技术更好地应用在具有高熔点和高硬脆性的材料的高精密度和低损伤等加工场合,提出自聚焦-球透镜组合聚焦模式和正-负轴棱锥镜组合聚焦模式,并与传统凸透镜聚焦模式进行对比分析。根据三种可适用性聚焦模式,推导相应的ABCD传输矩阵,仿真聚焦模式下的光束特性,并讨论不同聚焦模式下的工业化应用特点。仿真结果表明,正-负轴棱锥镜组合聚焦后的光束束腰半径最小,传统凸透镜聚焦模式聚焦后的光束发散角最小,且三种模式结构不同,都存在各自的优劣性。