用于深度加工的双光束水导激光高效耦合

中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院大学材料科学与光电工程中心、宁波大学机械工程与力学学院、浙江工业大学机械工程学院的科研人员报道了双光束水导激光高效耦合用于深度加工研究进展。相关论文以“Efficient coupling of dual beam combined laser into micro water jet for deep processing”为题发表在《Scientific Reports》上。

为了提高水导激光的功率和能量，本文介绍了一种双光束水导激光（DWJL）技术。基于空间偏振光组合和时间相位调制，两台激光器有效地耦合进直径为100μm的水射流中。最大输出峰值功率达到100kW，最大脉冲能量为4.63 mJ，工作频率范围为1至20 kHz。耦合效率高达90.4%。其高效的能量利用为厚材料的精密切割和加工提供了新的解决方案。最终，通过切割不同厚度的7075铝合金，展示了高功率/高能量双光束水导激光的加工能力。切割深度达到10.61mm，对应的切割缝深宽比超过90:1，锥度仅约为0.23°。加工表面没有热影响烧蚀区。对于深微孔加工，最小半径为248.54μm，深径比为21:1。随着双光束水导激光技术的不断发展，预计这项创新未来将在航空航天、汽车制造和高端装备制造等领域得到更广泛的应用。

关键词：水导激光；双光束组合激光；微孔加工；深径比；偏振组合；激光切割

图1双光束水导激光实验装置示意图。

图2双光束水导激光的传输模式和功率特性。

图3不同厚度7075铝合金板材的圆形穿透切割。运动平台设置的扫描切割半径为1mm。

图4图3d中圆柱体的扫描电镜（SEM）形貌。（a）前端表面形貌。（b）中部表面形貌。（c）端部表面形貌。（d）（a）中线框内区域的放大图像。（e）（b）中线框内区域的放大图像。（f）（c）中线框内区域的放大图像。（a）至（c）中的比例尺为500μm，（d）至（f）中的比例尺为120μm。

图5深微孔的轮廓和局部微观结构。（a）深微孔侧壁的完整视图。（b）激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）下深微孔轮廓的三维形貌。（c）深微孔入口区域附近侧壁的扫描电子显微镜图像。（d）深微孔中部区域侧壁的扫描电子显微镜图像。（e）深微孔端部区域侧壁的扫描电子显微镜图像。

图6加工微孔入口的扫描电镜图像。（a）微孔入口的全景图。插图显示了激光扫描共聚焦显微镜下微孔的三维形貌。（b）微孔左侧的放大视图，（c）（b）中线框内区域的放大视图。（d）微孔下侧的放大视图。（e）（c）中线框内区域的放大视图。（f）微孔右侧的放大视图。（g）（f）中线框内区域的放大视图。（h）微孔上方区域的放大视图，（i）（h）中线框内区域的放大视图。（b）（d）（f）和（h）中的比例尺为6μm。（c）（e）（g）和（i）中的比例尺为1μm。

图7双光束水导激光深度加工示意图。

图8两束脉冲激光在时域尺度上的重合过程图。（a）初始时刻，两束激光的脉冲处于分离状态。（b）两束激光的脉冲开始在时域上重合。（c）两束激光的脉冲时域部分重叠。（d）两束激光的脉冲在时域上完全重叠。

在本文中，科研人员提出了一种实现高功率水导激光（HP-WJGL）的创新概念，即将双光束激光耦合进微水射流作为加工光源，称为双光束水导激光（DWJL）。这种双光束水导激光技术取代了传统的单光束水导激光（SWJL）方案，克服了单光束水导激光激光输出功率受限的固有技术障碍，填补了基于光学改进技术的高功率水导激光领域的空白。显著提高了激光功率和单脉冲能量，能够以较低的锥度进行深度加工。在一定程度上，验证了水导激光的优势。主要结论如下：

(i)通过对两台分立激光器进行空间偏振合成，并在时域上对它们进行相位调制，在1至20kHz的工作频率范围内，获得了最大平均功率为39.8W的激光。

(ii)通过水光波导耦合，在10kHz的工作频率下，功率耦合效率高达90.4%，对应的平均功率为36.01W。此外，最大峰值功率输出达到100kW，最大脉冲能量为4.63mJ，这有利于对厚材料进行加工。水射流光波导中的激光能量分布呈现平顶分布。

(iii)本实验中获得的双光束水导激光被用于加工不同厚度的材料，实现了对厚度为10.61mm的7075铝合金的穿孔加工。切割缝对应的深宽比超过90:1，孔的锥度为0.23°。最后，通过旋转切割扫描，实现了对直径为248.54μm的深微孔（深径比为21:1）蚀刻加工。

这一进展增强了水导激光在低热损伤和深微孔加工方面的能力，从而拓展了其潜在的应用领域。

来源：长三角激光联盟