为了探究水束导引高功率激光的热损失问题, 调控水导高功率激光中水-光束耦合的热稳定性, 保证激光能量有效地传输至工件表面, 采用有限元方法建立水-光束耦合的数值模型, 利用射线追踪模拟不同入射激光功率、射流流速和直径时的水射流温度分布, 并通过实验数据验证模型的有效性, 对比了相同功率下连续激光与脉冲激光的温度分布。结果表明, 水射流的温度随着水-光束耦合长度增加而升高, 当入射激光功率增大、耦合腔压力降低以及射流直径减小时, 都会导致射流的温度升高, 严重影响射流的稳定性;由于水射流的冷却作用, 平均功率300 W的脉冲激光相较于连续激光, 温度相差约5 ℃。此研究结果为控制水导高功率激光中水-光束耦合的热效应、提高激光能量的传输效率提供了一定的参考。

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。

适用于水导激光加工工艺的毛细带锥角喷嘴, 其内部流动状态复杂。为了获得喷嘴内部高度稳定水束, 采用有限元流体计算软件模拟分析的方法, 进行了适用于水导激光工艺的缩流型喷嘴内流场模拟分析和数值验证, 取得了生成高速稳定水束的参量数据。结果表明, 随着平面喷嘴入口压力逐渐增加, 毛细段长径比值减小, 流体进入喷嘴内部与毛细段壁面发生完全分离, 无明显的空化现象发生, 形成稳定光滑的缩流型水束, 喷嘴入口压力为50MPa时, 毛细管直径分别为0.128mm, 0.07mm, 0.03mm的喷嘴内部水束再附壁长度可达毛细管长度90%, 锥角管为10°时,经过锥角段的水束会再次附壁。模拟分析所得参量对水导激光缩流型喷嘴选取提供指导。

水导激光加工是一项利用水光纤将激光引导到材料加工表面的新颖加工技术，具有几乎无微裂纹、热影响区小、无污染、重熔层少、加工精度高和光束平行等优点。为研究不同水导激光加工工艺参数对微观形貌的影响，探索水导激光与物质的相互作用机理。本文采用自主研发的水导激光加工系统对316L不锈钢薄片试件进行切槽和打孔实验；使用Zeiss Vert.A1金相显微镜观察加工试件的二维形貌；使用Leica DVM6超景深显微镜和Bruke Contour Elite I白光干涉仪观察试件的三维微观形貌。实验结果表明：无论是对试件进行切槽还是打孔实验，均会在加工区域产生一定宽度的沉积层，且沉积层的大小不随加工时间和加工次数变化，其宽度约为13.5 μm；通过观察试件加工区域的二维形貌，发现打孔试件的dr和切槽试件的wl也不随加工试件和加工次数变化；通过观察切槽试件加工区域的三维形貌，其截面呈倒梯形。

水辅助激光加工中, 水流状态对激光加工有重要影响。为了研究激光加工中不同水流状态对加工质量的影响, 文章建立带切槽的水射流冲击模型, 分析激光扫描方向与水流同向和反向对加工中流场造成的差异; 通过对比试验, 研究两种刻蚀方式对单晶硅切槽形貌和几何尺寸的影响, 并分析差异产生的机理。研究结果表明, 同向刻蚀模型中切槽截面中心上的总压强最小为2 941.970 Pa, 远大于反向刻蚀; 反向刻蚀模型在近壁面处的速度更大, 比同向刻蚀大3.104 m/s。反向刻蚀比同向刻蚀的槽宽小约13.500 μm且表面无熔渣堆积; 反向刻蚀槽深明显大于同向刻蚀, 并且此差距随激光功率增加而增加, 在激光功率15 W时最大相差127.773 μm; 反向刻蚀切槽上表面的平均面粗糙为0.158 μm, 更接近基材未加工区域的0.141 μm。模拟和实验的结果为进一步提高水射流辅助激光加工的切割质量提供了思路。

金属材料的激光加工目前正向着低表面粗糙度、小热影响区及大深径比结构的趋势发展。新近发展了一种基于激光-水射流耦合原理的水导激光加工技术, 本文阐述了水导激光加工技术的基本原理及其相对于传统激光加工方法的优势, 基于激光 -水射流耦合原理构建了一套水导激光加工设备, 对多种金属材料进行了水导激光加工实验。利用超景深显微镜对加工工件表面进行了观测与分析, 发现两种金属材料加工得到的盲孔边缘规则圆滑, 切槽的边缘平直无毛刺, 没有热影响区。实验结果说明对金属材料的水导激光精密加工具有可行性且有重要的应用价值。

为了研究具有一定速度和角度的水射流在水射流辅助激光加工碳化硅材料中对加工槽体深度、宽度、热影响区的影响,利用Fluent软件,分别以不同速度和不同入射角度的水射流对材料表面冲击力大小的影响进行模拟,从理论上分析冲击力对加工结果的影响,同时进行相关实验验证。结果表明,水射流速度相同时,随着射流入射角度增加,其对槽体表面的冲击力逐渐增大。与无水激光加工相比,水射流辅助激光加工对所得槽体的深度影响较大,对宽度影响很小或基本无影响,热影响区显著降低,槽体底部和槽口处存在较少熔渣和重凝层,加工质量较好。

为解决工程陶瓷在激光加工中的表面质量问题提出了溶液辅助激光加工方法, 首先在综合国内外有关研究的基础上, 分析了激光穿越水层的能量传输、激光作用水下固体物质的热传导和静水及水射流辅助激光加工的作用机理; 搭建了旁轴射流与超声振动辅助激光复合加工系统, 开展了不同加工条件下氮化硅陶瓷刻槽对比试验。借助扫描电子显微镜检测分析激光刻蚀槽体形貌, 运用激光共聚焦显微镜观测了槽体截面轮廓。研究表明, 水射流辅助激光加工氮化硅陶瓷, 因激光穿越水层、水的对流冷却等作用减少了激光烧蚀材料的有效能量, 刻蚀深度有所降低; 同时由于水层的存在改变了加工区域能量分布, 使得槽口变宽。当激光电流200 A、频率50 Hz、脉宽0.6 ms时刻槽深度相对减小30％, 宽度增大21%。水与氮化硅在激光作用下的会发生水解等效应, 且水蒸汽、材料蒸汽、熔融粒子、气泡等沿水流动方向被带走, 有利于表面质量的提高, 综合效果良好。