在過去的數年中，激光在許多應用中越來越流行，主要是由於(yu) 它們(men) 具備柔性及加工速度。然而，今天傳(chuan) 統激光器已經達到了它們(men) 的極限，在麵對更精密的應用如晶圓劃片時，會(hui) 產(chan) 生顯著的汙染，較低的生產(chan) 率，以及熱量問題。而一種新的方法能夠克服這些問題，通過將激光束同水刀結合起來。通過利用水，切割深度得到增加，汙染被防止，熱影響也不複存在了。和傳(chuan) 統基於(yu) 激光的技術相比的不同，水刀導引激光在目前無法通過激光完成的應用中獲得了成功。

　　基本原理

　　激光通過鏡片聚焦，使得焦點處的能量密度足夠燒蝕材料。對於(yu) 材料加工來說，焦點控製係統對於(yu) 使激光正確作用於(yu) 工件來說是必要的，因為(wei) 景深是有限的。因此工作區域一般來說小於(yu) 1mm（見圖1，左）。這即使對低功率，有限衍射的激光而
 

言也是一個(ge) 問題。

圖1.傳(chuan) 統激光（左）和水刀引導激光（右）的基本區別

　　為(wei) 了創造平行的激光束，激光通過水聚焦於(yu) 噴嘴中，其中一根頭發絲(si) 般粗細，低壓水射流被生成。激光束完全被包含在水刀中，因為(wei) 總的內(nei) 部反射在水/空氣介麵上，並被引導到切口的底部，隻帶來極小的能量損失（見圖1，右）。水刀的直徑並不隨著其長度而變化，其長度大概是射流直徑的1000倍左右。因此，工作區域相對傳(chuan) 統激光器來說要長得多（最長可達數厘米）。由於(yu) 不需要焦距控製，因而能加工波紋形工件。數毫米寬度及深度的微切口能夠被得到，且切割邊緣平行。

　　因為(wei) 水刀引導激光束的直徑隻由噴嘴的孔口直徑決(jue) 定，傳(chuan) 統激光切割中通常源於(yu) 光束橢圓率，散光以及偏振的切割不一致以及方向性依賴等問題，在這裏都不存在了。

　　傳(chuan) 統激光：熱效應和汙染

　　連續波形式的激光不適用於(yu) 精密加工當中，因為(wei) 激光的功率集中再一個(ge) 小點上，在材料上產(chan) 生了大量的熱量累積。脈衝(chong) 激光，如果減少了熱量累積，仍然會(hui) 產(chan) 生熱影響區（HAZ），因為(wei) 每個(ge) 脈衝(chong) 將熱量累積傳(chuan) 遞到材料當中。這一熱影響區所帶來的負麵影響有材料氧化，微裂縫，結構變形，以及低斷裂強度等。減小脈衝(chong) 間隔能防止熱影響區形成，但這些種類的激光在加工速度上非常緩慢，因此不能應用於(yu) 大批量的生產(chan) 當中。

　　第二個(ge) 主要問題是汙染，由於(yu) 熔化及凝結後的材料仍殘留在切口及切割表麵。為(wei) 了消除它們(men) ，有限氣壓（20bar）的輔助氣流通常在激光束附近被生成。但是，這一氣流並不十分有效，因為(wei) 僅(jin) 有一小部分的氣體(ti) 穿透進入切口。除了切口附近的碎屑，還有熔化顆粒以及蒸發材料在表麵的沉積（見圖2）。完全避免汙染的唯一一種方式是在切割過程中加入保護塗層，但這一方案通常不被使用，因為(wei) 附加的一些步驟會(hui) 帶來額外的費用。

　　傳(chuan) 統激光切割

　　水刀引導式激光：無損加工方式

　　水刀引導激光使用脈衝(chong) 激光，因而在兩(liang) 個(ge) 激光脈衝(chong) 之間，水射流對切割邊緣進行冷卻。因為(wei) 熱量不能在材料中累積，熱影響區可忽略不計。水射流也被用於(yu) 材料取出。這相對於(yu) 氣體(ti) 輔助的取出方式要更為(wei) 有效，因為(wei) 水刀包含更高等級的動能。大多數熔化的材料被水射流清除，隻有一小部分碎屑存留下來。為(wei) 了避免沉積，在工件表麵會(hui) 產(chan) 生一層很薄的水膜。落在薄膜上的顆粒很快冷卻並無法粘結在工件的表麵（見圖3）。采用保護性水膜的同時不可使用傳(chuan) 統幹式激光，這主要出於(yu) 焦距靈敏度和功率損失的原因。

圖3.水刀引導式激光切割

　　因為(wei) 水射流非常細 （通常直徑從(cong) 25微米到75微米），其作用力在工件上是微乎其微的，即使是以500bar水壓（小於(yu) 0.1N）。水量消耗也是非常少的（1升/分鍾）。

　　由於(yu) 具有完全不同的特征，幹式及濕式激光是兩(liang) 種不相似的技術。這兩(liang) 種技術也因此不被用於(yu) 完全相同的應用中。傳(chuan) 統激光對於(yu) 鑽小及深孔非常有效。因為(wei) 水需要排出，因而該類應用中如使用水刀引導式激光技術，孔的深寬比被限製在1∶1左右。

　　高功率幹式激光比水刀引導式激光在低吸收率材料的加工上更為(wei) 有效率。舉(ju) 例來說，激光微水射流能夠切斷最大厚度150微米的銅片，而傳(chuan) 統的激光切割能夠通過熱量累積在相同材料上生成1mm深的切口。除了這一例子之外，

　　由於(yu) 不產(chan) 生任何熱損傷(shang) ，水刀引導激光能夠比幹式激光更好地加工多種類型的材料。對於(yu) 切割和雕刻應用來說，需要更微小的尺寸以及無損傷(shang) ，這方麵正是水刀引導激光的強項。這一技術的潛在應用領域包括薄晶圓劃片，鋼板及鋼管切割，以及太陽能電池加工等。激光微水射流技術同樣非常適合用於(yu) 加工對熱敏感或有毒材料，如記憶合金Nitinol（鎳鈦諾）或GaAs（砷化镓）。

　　光束形成和導出的方式，以及水冷卻及清潔的效果，使得激光水刀在材料微加工領域成為(wei) 一種無法匹及的工具，它能通過多模式，高平均輸出功率的激光束，帶來高生產(chan) 率和高質量的加工效果。