瑞士西诺瓦公司（Synova）是一家专注研发水射流激光技术的公司，自1994年Laser MicroJet（LMJ）专利首次注册认证以来，经过近30年发展，目前已在航空航天、半导体等领域得到了一定程度的应用。相比传统激光热加工的方式，这种加工方式是将激光与细如发丝的水射流相结合，并以类似于传统光纤的方式通过全内反射精确引导激光束。

在水射流激光加工过程中，经过高压喷射出的水流可以持续冷却切割区，有效去除激光切割生成的碎屑。作为一种“冷、清洁、可控的激光器”，LMJ技术可有效解决传统激光器加工中容易产生的一些问题，如热损伤、污染、变形、碎屑沉积、氧化、微裂纹和锥度。

百年前的工艺初探

1841年，瑞士日内瓦大学的Daniel Colladon教授首次在学校演讲厅讲解基于全内反射称为“光导”的光学现象。同年，他在巴黎艺术与科学天文台展示了模型。这是世界上首次提出将光和水融合的理论。

Daniel Colladon的模型使用了电弧灯作为光源。一个镜头将光线聚焦通过水箱，并沿着从另一侧喷出的一个洞上再次进行聚焦。当水中光线以一定角度扫过水射流边缘时，全内反射将光线“困”在液体中。光线沿着水射流的方向进行弯曲弧形反弹，直到溅入收集盘中。实际上，通过这样一个装置，实现了让光线沿着水的曲线移动。

1889年巴黎世博会期间，这项发明首次应用在照亮喷泉上，向世人展示。180年后的今天，同样的导光效果也发生在光纤中。作为瑞士科学家的后人，同时也是Synova公司的创始人Bernold Richerzhagen，发明的水射流激光工艺与Colladon的实验类似，但在水射流中使用的是激光束而不是白光，体积小得多，压力也更高。

后继有人

Richerzhagen获得德国亚琛工业大学机械硕士学位后，在攻读博士学位期间获得了一项用于牙科应用的激光项目资助，目的是开发用于牙科应用（去除龋齿）的激光能量传输系统。当时，Richerzhagen考虑了两种在激光钻孔过程中冷却牙齿的方法。一种是喷水，另一种是用水射流的全反射引导激光钻孔。

最终，Richerzhagen决定采用第二种方法，因为水射流引导激光具有明显的优势：平行激光束、长焦距和快速冷却，从而可以避免热损伤，因为牙齿周边的神经系统对温度变化非常敏感。他将激光束和水射流耦合的第一台原型机采用了脉冲激光（开始用染料激光，后来用YAG红外激光），10bar水压，水源是去离子水，以及高压水射流喷嘴（直径100μm）。

该装置基于准静止水流理论，以在自由水射流中实现稳定的层流。水从腔室中持续、均匀地加速直到通过喷嘴。如图1所示，其特点是将光学器件和水射流耦合分开，使用高质量喷嘴产生稳定水射流。激光束再通过水室中的窗口聚焦到水射流喷嘴上，并耦合到从喷嘴喷出的水射流中。

但实验结果没有达到Richerzhagen的心理预期，事实上尽管实验计算和模拟表明所有激光束都应该通过喷嘴，但喷嘴很容易损坏。与此同时，他也积极准备专利申请（LASAG，编号FR 2 676 913，1991年5月）。之后两年，Richerzhagen专注解决喷嘴易损坏的问题，探究激光束没有准确聚焦到喷嘴的实际原因。

经过研究，Richerzhagen找到了导致喷嘴损坏的症结。他发现在每个脉冲期间，水吸收了一小部分激光能量后就转化为热量。水温持续升高导致了折射率不断发生变化，这会产生所谓的“负透镜”效应。激光脉冲后一段时间，水由于热传导和对流等热交换过程而冷却。结果，折射率再次上升至初始水平。这时，热导透镜失去了作用。这种现象称为热晕或热散焦。

传输损耗随着脉冲能量的增加而增加，热散焦导致了耦合出现问题。这种散焦也致使激光束变宽，焦点位置发生偏移。因此，有相当一部分的激光能量打在了焦点以外的区域，从而引发了喷嘴损坏。

在确定水温升高对激光束产生影响后，Richerzhagen的下一个任务是测量激光束穿过水时的变化。通过实验认证和数学计算，他找到了确定折射率与水温间关系的准确方法。更进一步，他又通过数值模拟重现对热散焦下光束轮廓的实验测量。1993年，Richerzhagen成功展示了第一台烧蚀材料的水射流导向激光器，并最终在1994年完成了对这项发明的专利申请，销售商标为Laser MicroJet®（LMJ），工作原理如图2所示。

一种全新的激光加工技术

目前，从Synova公司公布的信息显示，其激光器使用的是半导体泵浦固态脉冲Nd：YAG激光器，脉冲持续时间以微秒或纳米秒计算，波长为1064nm或532 nm，平均激光功率范围20W-400W。在 50-800bar下每小时的耗水量在10升左右，引起的力可以忽略不计（<0.1牛）。喷嘴是由蓝宝石或钻石制成，足够的硬度保证长时间喷出长而稳定的水射流。

水射流导向激光（激光微射流）是一种革命性的切割技术，既有水射流切割低温、工作距离大的优点，又兼具常规激光切割的精度和速度。因此，该技术得到广泛应用，并在其他非常规加工方法（EDM、激光、磨削、磨料水射流）中展现了独特的优势。

对比传统激光束和微射流激光束，由于激光束的发散，传统的对焦激光束工作距离有限，从几毫米到几分之一毫米，不仅需要精准对焦和距离控制，还限制了切边的长宽比，锥形激光束产生非平行加工壁。另外，激光热加工中废料粒子发生沉积后，废料去除效率低，且易产生毛刺。

激光微射流技术用的是一束在空气—水界面完全反射的激光束。光束的加工距离超过10厘米且能形成平行切边，无需对焦或距离控制。切割面不平也不成问题，可进行3D切割，可变切割深度高达几厘米。 柱状激光可产生平行切割壁，可实现稳定的高质量切削效果，长宽比较高，切边宽度很小（>20µm），能以更小的材料损耗实现同样深的切削效果。

水射流的冷却作用可避免热损伤和材料变化，从而保持了较高的强度。薄薄的水膜消除了废料粒子的沉积和污染，无需加工表面保护层，高动能的水射流喷出熔融物质，避免毛刺形成。

事实证明，激光微射流技术特别适于加工切边非常薄、表面涂层精致以及易于变形、热敏感的高精密工件，比如半导体行业。柱状导向激光切割质量优良，材料损失小，是平行切削脆性材料和硬材的理想解决方案。
当前，Synova公司的研发团队仍在不断研究、改进、优化解决方案。激光微射流技术正越来越多地应用于许多工业部门加工各种材料，通常是高科技材料如陶瓷复合材料或需要高质量表面光洁度的CVD工具。各国研究机构都已经开始开发水射流导向激光技术的应用。 可以预见，这项技术的发展前景一片光明。