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。

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100 μm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。

水导激光加工技术与水辅助激光加工技术是目前广泛应用与研究的两种激光水射流复合加工技术, 都可以代替传统机械加工方法对单晶硅片进行划片切割工作。但由于激光与水射流耦合方式不同, 单晶硅片切割加工效果存在显著差异。在确保激光参数与水射流参数相同的前提下, 分别采用上述两种加工方法对单晶硅片进行划槽加工, 对比研究其槽道深度与宽度、槽道截面形状、熔渣残留及热影响区等方面的差异性, 并综合分析导致差异的根本原因。实验结果表明, 相比水辅助激光加工, 水导激光加工的槽道宽而浅, 呈“V”字形, 但其槽道表面干净熔渣少, 无毛刺, 热影响区较小, 更适用于晶圆的高精划片切割加工。