丁 燁，吳雪峰，管延超，王水旺，陳明君，楊立軍

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080）

激光是一種受激輻射相干光源，具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，且具有極好的空間和時(shí)間控制性能。激光加工通過(guò)激光束與材料的相互作用實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工，是一種高效、可控的加工方法。激光切割、激光焊接等常規(guī)激光加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已得到較為廣泛的應(yīng)用，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光加工技術(shù)面向超快激光加工、微納結(jié)構(gòu)加工、激光增材制造、激光表面改性等領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新與升級(jí)。將激光與其他技術(shù)相結(jié)合，復(fù)合成為一種新的加工方式是另外一種發(fā)展路線。激光復(fù)合加工是以激光加工工藝為基礎(chǔ)，按照工藝對(duì)加工結(jié)果影響的主次可以分為3類：第1類其他能場(chǎng)輔助激光加工，改善激光去除材料過(guò)程中的性能，降低加工過(guò)程中的熱影響，提升加工質(zhì)量，如水輔助激光加工、化學(xué)液輔助激光加工等；第2類激光作為輔助能場(chǎng)改變材料的性能，提升與之復(fù)合的加工工藝的質(zhì)量與效率，如激光輔助化學(xué)刻蝕、激光輔助切削、激光輔助磁流變拋光等；第3類是激光與其他能場(chǎng)復(fù)合協(xié)同作用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，如水導(dǎo)激光加工、激光電火花加工等復(fù)合加工工藝。

目前激光復(fù)合加工技術(shù)蓬勃發(fā)展，在工程陶瓷、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等先進(jìn)材料的加工中展現(xiàn)出高效率、高質(zhì)量、低損傷、低成本的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)激光加熱輔助切削、水導(dǎo)激光加工與激光復(fù)合探針納制造3種激光復(fù)合去除加工技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并指出了各自的不足和未來(lái)的發(fā)展方向。

1 激光加熱輔助切削技術(shù)

隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料的成分越來(lái)越復(fù)雜、性能越來(lái)越優(yōu)異，這對(duì)其加工質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，使得加工難度增大。高性能材料的加工去除率低，刀具磨損大，加工費(fèi)時(shí)且成本高。為了解決難加工材料的切削加工難題，目前常采用以下解決思路：一是改進(jìn)目前的加工工藝，如高速切削技術(shù)、低溫切削技術(shù)等；二是開發(fā)新型刀具，針對(duì)新材料與工藝設(shè)計(jì)新材質(zhì)、新涂層與新槽型等；三是采用輔助切削技術(shù)，如超聲輔助、振動(dòng)輔助與加熱輔助切削技術(shù)等。其中，加熱輔助切削技術(shù)通過(guò)提升材料的局部溫度來(lái)改善材料的可加工性能，激光因光束質(zhì)量好、能量密度高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)成為首選的熱源，在高溫合金、鈦合金、陶瓷材料、復(fù)合材料等多種難加工材料的加工中展示了較大的優(yōu)勢(shì)。

1.1 加工機(jī)理研究

激光加熱輔助切削 （Laser assisted machining，LAM）是加工難加工材料的一種有效方法，激光作用于材料后改變其性能，達(dá)到降低切削力，減少表面裂紋產(chǎn)生，提高刀具壽命、生產(chǎn)效率及加工表面質(zhì)量的目的。加工形式主要包括激光加熱輔助車削（Laser assisted turning，LAT）、激光加熱輔助銑削 （Laser assisted milling，LAML）、激光加熱輔助鉆削 （Laser assisted drilling，LAD）與激光加熱輔助磨削 （Laser assisted grinding，LAG）等。激光加熱輔助切削示意圖如圖1所示。

圖1 激光加熱輔助切削原理與加工方式Fig.1 Principle and processing method of laser assisted machining

當(dāng)高功率的激光照射到工件后，入射區(qū)域迅速升溫，再逐漸傳導(dǎo)至工件內(nèi)部。不同材料的抗拉強(qiáng)度隨溫度變化如圖2所示[1]。材料通常在一定溫度內(nèi)保持較高的強(qiáng)度，當(dāng)溫度超過(guò)一定值后強(qiáng)度迅速降低。利用材料的這一特性，激光加熱輔助切削技術(shù)將工件局部溫度升高到材料強(qiáng)度下降的溫度，然后用刀具加工。由于切削刀具材料的優(yōu)化選擇，使得其在材料溫度變化范圍內(nèi)的力學(xué)性能受溫度影響較小，從而達(dá)到提高加工效率和質(zhì)量的目的。不同材料加熱后的特性不同，因此其加熱輔助切削機(jī)理有所區(qū)別。

圖2 溫度對(duì)不同材料機(jī)械強(qiáng)度的影響規(guī)律[1]Fig.2 Influence of temperature on mechanical strength of different materials[1]

大多數(shù)金屬材料在500～900℃之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)度和硬度的劇烈變化。對(duì)工具鋼材料進(jìn)行LAM的試驗(yàn)研究表明，材料的強(qiáng)度降低、延展性提高，產(chǎn)生的切屑由粗糙斷續(xù)的小切屑轉(zhuǎn)變?yōu)槠交B續(xù)大切屑[2]。LAML過(guò)程是斷續(xù)切削，切屑黏著在刀具的切削刃位置，當(dāng)?shù)毒吲c工件間斷接觸時(shí)產(chǎn)生的新切屑與之前的切屑焊在一起，從而產(chǎn)生連續(xù)的切屑[3]。

對(duì)于陶瓷材料，材料受熱后斷裂韌性降低、延展性增加，脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。例如熱壓燒結(jié)氮化硅陶瓷，晶粒邊界含有玻璃相，溫度超過(guò)1000℃后，在刀具的作用下，氮化硅晶粒在黏性降低的玻璃相中流動(dòng)，由此產(chǎn)生塑性變形，如圖3所示[4]。莫來(lái)石陶瓷與氮化硅陶瓷結(jié)構(gòu)不同，晶粒間不含玻璃相，材料在高溫高應(yīng)力下產(chǎn)生一定的黏性流動(dòng)與塑性變形，并在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與脆性斷裂共同作用下被刀具去除。刀尖與材料接觸區(qū)域的塑性作用會(huì)降低脆性裂紋提升表面質(zhì)量[5]。

圖3 氮化硅陶瓷切屑形成原理示意圖[4]Fig.3 Schematic diagram of silicon nitride ceramic chip formation[4]

對(duì)于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，溫度升高后材料基體軟化，刀具與工件接觸位置出現(xiàn)高應(yīng)力與應(yīng)變，高硬度的顆粒在應(yīng)力的作用下被擠入基體或者擠出進(jìn)入切屑中，從而在已加工表面出現(xiàn)孔洞或者擠入的顆粒點(diǎn)，如圖4所示[6]。

圖4 顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料LAM加工機(jī)理[6]Fig.4 LAM processing mechanism of particle reinforced composite[6]

1.2 加工理論及仿真研究

對(duì)于塑性材料如高溫合金來(lái)說(shuō)，局部溫度的升高降低了材料的強(qiáng)度、硬度與剪切區(qū)的應(yīng)力[7]，從而導(dǎo)致切削力的降低。影響加工的關(guān)鍵參數(shù)是切削區(qū)的溫度，對(duì)于高溫合金Inconel 718材料，將主切削區(qū)溫度提高至540℃左右，加工比能比常規(guī)加工降低35%，表面粗糙度和刀具磨損分別降低了22%和23%[8]。而對(duì)于Waspaloy高溫合金材料，合適的材料去除溫度范圍為300～400℃，可以使刀具壽命提高50%[9]。對(duì)于熱壓陶瓷等脆性材料，如氮化硅陶瓷[10]，加熱的目的是使材料的屈服強(qiáng)度降低到小于材料的斷裂強(qiáng)度，當(dāng)切削區(qū)達(dá)到1400℃左右，玻璃相晶界的黏性降低，氮化硅晶粒開始滑移旋轉(zhuǎn)，玻璃相圍繞氮化硅晶粒流動(dòng)，產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)溫度達(dá)到1043℃左右后，莫來(lái)石陶瓷在高溫高應(yīng)力條件下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的塑性變形與脆性斷裂的共同作用下使材料去除[5]。由此可見激光加熱輔助切削的關(guān)鍵是將切削區(qū)溫度控制在穩(wěn)定的溫度，而且不同材料理想的切削區(qū)溫度不同。而材料的熱導(dǎo)率、比熱等熱物理參數(shù)隨溫度發(fā)生變化，激光吸收參數(shù)還受到工藝參數(shù)、表面質(zhì)量、紋理、氧化狀態(tài)和溫度變化等因素的影響[11]，因此如何獲得準(zhǔn)確的溫度并穩(wěn)定控制是加工的關(guān)鍵。

建立溫度場(chǎng)模型是分析加工熱傳導(dǎo)過(guò)程，選擇工藝參數(shù)的主要方法，Rozzi等[12]基于有限體積法建立了不透明圓柱形工件的三維瞬態(tài)傳熱模型，仿真獲得了LAM氮化硅棒料的溫度分布，并通過(guò)測(cè)量表面溫度進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖5所示。Tian等[13]提出了一個(gè)針對(duì)復(fù)雜幾何特征工件LAM的熱模型，根據(jù)熱模型預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的LAM試驗(yàn)成功地加工了具有復(fù)雜特征的氮化硅零件。Ren等[14]考慮了刀具與工件的熱傳動(dòng)，在獲得工件溫度分布的基礎(chǔ)上可以得到刀具的溫度分布。此外加熱過(guò)程中能量的累積、熱輻射與對(duì)流也對(duì)激光加熱的溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響[15]。目前的模型通常忽略切削生熱或者采用簡(jiǎn)化的模型將切削熱作為一個(gè)邊界條件，然而材料的可加工性能、切屑形態(tài)的變化取決于激光熱場(chǎng)與切削過(guò)程兩者耦合的溫度與應(yīng)力場(chǎng)，如圖6所示，需要充分考慮兩者的相互影響、相互作用過(guò)程才能建立準(zhǔn)確的瞬態(tài)切削溫度場(chǎng)模型。

圖5 LAM過(guò)程中的傳熱條件[12]Fig.5 Heat transfer conditions in LAM process[12]

圖6 激光溫度場(chǎng)與切削溫度場(chǎng)耦合Fig.6 Coupling of laser heating field and cutting temperature field

為了研究LAM不同材料的加工機(jī)理，分析激光參數(shù)對(duì)加工過(guò)程的影響規(guī)律，研究人員從多個(gè)尺度建立切削過(guò)程模型，分析切屑形態(tài)、已加工表面形成的影響規(guī)律。對(duì)于金屬材料通常采用有限元分析 （Finite element analysis，F(xiàn)EA）方法，選取切削區(qū)域的局部位置，通過(guò)設(shè)定局部位置的初始溫度模擬激光的加熱作用，初始溫度通常提取自溫度場(chǎng)仿真結(jié)果或者試驗(yàn)值。TC4鈦合金LAM仿真如圖7（a）所示[16]，模擬了切屑的形成過(guò)程，仿真結(jié)果表明，激光光斑中心與刀尖接觸點(diǎn)的距離是影響切削力的主要參數(shù)，同時(shí)切削力可以降低50%。

為了研究陶瓷材料切屑斷裂的過(guò)程及晶粒間的裂紋擴(kuò)展，通常建立微觀尺度模型。Tian等[17]在溫度場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，建立了多尺度LAM氮化硅陶瓷模型，如圖7（b）所示，晶粒連續(xù)單元間的黏性單元表示氮化硅的玻璃相，因此可以分析切削過(guò)程中的斷裂過(guò)程。分析了切削速度、進(jìn)給量等工藝參數(shù)對(duì)切削力大小的影響，并可對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Yang等[18]采用離散單元法 （Discrete element method，DEM）與有限元分析結(jié)合的方法建立模型，粒子簇為氮化硅材料組織，用黏合單元的斷裂模擬加工過(guò)程中裂紋形成過(guò)程與擴(kuò)展，如圖7（c）所示。

圖7 激光加熱輔助切削過(guò)程仿真Fig.7 Simulation of laser assisted machining process

對(duì)于復(fù)合材料，模擬激光加熱對(duì)顆粒或者纖維斷裂、剝離的影響因素，分析激光加熱后機(jī)理及微觀缺陷的不同是關(guān)注點(diǎn)。Dandekar等[19–20]建立了多尺度的三維有限元模型，模擬了復(fù)合材料加工的亞表面損傷和切削力，該模型利用熱彈塑性失效和內(nèi)聚力模型預(yù)測(cè)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的破損，得到多相模型的破壞深度，其深度隨著切削力的增大而增加，預(yù)測(cè)顆粒及纖維斷裂、界面剝離、空位形成等過(guò)程，如圖8所示。對(duì)于激光加熱輔助微切削，通常采用分子動(dòng)力學(xué)的方法模擬激光加入對(duì)材料延展性的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)切削力與刀具磨損，同時(shí)可以描述金剛石刀具石墨化的過(guò)程，單晶硅的加熱微切削分子動(dòng)力學(xué)仿真如圖9所示[21]。

圖8 激光加熱輔助切削導(dǎo)致的亞表面損傷Fig.8 Simulation results of LAM for sub-surface damage

圖9 金剛石微切削分子動(dòng)力學(xué)模擬[21]Fig.9 Molecular dynamics simulation of diamond micro-LAM[21]

1.3 試驗(yàn)研究

目前研究中所使用的加熱輔助加工裝備通常由車床或者銑床改裝，通過(guò)夾持裝置固定激光頭并且能夠調(diào)整與工件的相對(duì)位置。車削時(shí)可以采用機(jī)械手或者將激光頭固定在溜板箱之上，隨著刀具共同進(jìn)給，如圖10（a）所示[22]。銑削裝備相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)涉及刀具軌跡運(yùn)行時(shí)，激光熱源很難跟隨刀具運(yùn)動(dòng)。需要一個(gè)額外的控制軸來(lái)控制激光模塊，使激光聚焦至合適的工件位置，如圖10（b）所示[23]，因此目前輔助銑削設(shè)備大多用于簡(jiǎn)單的刀具軌跡加工和單向加工。激光加熱輔助鉆削可以降低鉆削時(shí)間[24]，但由于鉆削過(guò)程中鉆頭需要進(jìn)入工件內(nèi)部，僅能在加工的初始階段起到作用。為了解決激光照射工件內(nèi)部的問(wèn)題，可以使用相對(duì)激光透明的金剛石鉆頭，將激光導(dǎo)入材料切削區(qū)的位置，如圖11所示[25]。Micro-LAM公司研制了激光輔助金剛石車削裝備，但是與通常的輔助車削裝備不同，激光透過(guò)金剛石刀具直接照射在切削區(qū)的位置，避免了熱傳導(dǎo)過(guò)程帶來(lái)的能量損失，但是只能使用相對(duì)激光透射率較高的金剛石刀具，如圖12所示[26]。

圖10 激光加熱輔助切削裝備Fig.10 Laser assisted machining equipment

圖11 激光加熱輔助鉆削設(shè)備[25]Fig.11 Laser assisted drilling equipment[25]

圖12 激光加熱輔助金剛石車削裝置[26]Fig.12 Laser assisted diamond turning device[26]

影響激光加熱輔助切削加工質(zhì)量的因素主要包括加工材料性能、激光參數(shù) （激光功率和光斑直徑）、加工參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、切削深度等）和激光相對(duì)刀具位置參數(shù)等。工藝參數(shù)的選擇最終會(huì)影響切削力、表面粗糙度、材料去除率、亞表面損傷、刀具壽命與加工成本等。研究人員通過(guò)大量的試驗(yàn)獲取工藝參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響規(guī)律，并進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

Masood等[27]進(jìn)行了Cr27高鉻鑄鐵的LAM試驗(yàn)研究，通過(guò)激光加熱可以降低24%的切削力，激光能量的增加使切削后表面硬度提高；在蠕墨鑄鐵的LAM試驗(yàn)研究中，將溫度提升至400℃，在不影響已加工表面組織的前提下可以將進(jìn)給量提升至0.15mm/r，同時(shí)可提升刀具壽命60%，節(jié)約20%的加工成本，切屑對(duì)比如圖13（a）和（b）所示。Dandekar等[28]進(jìn) 行 了Ti–6Al–4V的LAM研究，將激光加熱溫度提升至250℃后，在激光加熱不影響材料性能的前提下，提高刀具壽命1.7倍，并通過(guò)提升加工效率降低30%的加工成本。通過(guò)對(duì)氮化硅、氧化鋯、莫來(lái)石等陶瓷材料的加工試驗(yàn)研究，獲得了工藝參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響規(guī)律[29–31]?？偟膩?lái)說(shuō)，刀具與所加工的材料匹配后，在不引起材料與刀具損傷的前提下，切削力與刀具磨損隨激光加熱溫度的升高而降低。已加工表面的殘余應(yīng)力通常是壓應(yīng)力，有助于提高材料的疲勞壽命與強(qiáng)度。

LAM技術(shù)可以改變切屑的狀態(tài)，Tadavani等[8]進(jìn)行了Inconel 718的加熱輔助切削研究，將獲得的切屑與常規(guī)加工進(jìn)行了對(duì)比，切屑是螺旋狀半連續(xù)切屑，通過(guò)激光照射與局部加熱，切屑變得彎曲與連續(xù)。切屑剪切角減小，切屑厚度增加[32]。對(duì)于氮化硅陶瓷的加熱輔助加工可以改善切屑形態(tài)，由斷續(xù)切屑變?yōu)檫B續(xù)切屑[33]。莫來(lái)石不同加工的條件的切屑狀態(tài)如圖13（c）和（d）所示[34]，切屑狀態(tài)的變化證明了脆性材料塑性轉(zhuǎn)變的過(guò)程，降低切削力的波動(dòng)，降低已加工表面的粗糙度。此外對(duì)于金屬鈹來(lái)說(shuō)，切屑狀態(tài)的改變還有其他的意義。金屬鈹具有低密度、高熔點(diǎn)、高比強(qiáng)度和高比剛度等特征，一直是發(fā)展核工業(yè)和航空航天事業(yè)的關(guān)鍵材料，常規(guī)切削加工通常產(chǎn)生粉末與顆?；旌锨行?，加工后出現(xiàn)表面裂紋、崩邊的現(xiàn)象。金屬鈹儲(chǔ)量少，價(jià)格昂貴，此外加工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵具有毒性。而通過(guò)LAM技術(shù)，可以將粉末與碎屑轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)切屑，切屑變化如圖14所示，可以提升加工質(zhì)量，解決切屑清洗、難以收集的問(wèn)題，并且通過(guò)切屑回收技術(shù)使金屬鈹?shù)幕厥兆優(yōu)榭赡堋?/p>

圖13 激光加熱輔助切削切屑形態(tài)變化Fig.13 Morphology change of chip in laser assisted machining

圖14 金屬鈹?shù)那邢髑行夹螒B(tài)變化Fig.14 Morphology change of chip in machining beryllium metal

加工經(jīng)濟(jì)性能決定LAM技術(shù)是否可在工業(yè)上應(yīng)用。Anderson等[35]采用LAM技術(shù)加工了Inconel 718，在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮設(shè)備運(yùn)行工時(shí)、刀具及激光費(fèi)用，加工成本與采用硬質(zhì)合金刀具常規(guī)加工相比節(jié)省66%，與陶瓷刀具相比費(fèi)用節(jié)省了50%。同時(shí)對(duì)P550不銹鋼進(jìn)行了LAM試驗(yàn)研究，加工成本可以降低20%～50%[36]。

1.4 小結(jié)

激光加熱輔助切削技術(shù)為難加工材料的加工提供了一種可選擇的解決方案，為應(yīng)對(duì)材料技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)提升加工質(zhì)量、降低零件成本以及推進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步具有重要的科學(xué)意義、技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。然而目前該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用很少，存在以下的問(wèn)題。

（1）缺少成熟的商用設(shè)備。由于加工工藝涉及激光參數(shù)與切削工藝參數(shù)的選擇與優(yōu)化，影響因素多，很難保證加工結(jié)果的穩(wěn)定與一致。缺少保證加工順利進(jìn)行的專用加工裝備及與其配套的工藝規(guī)劃方法。

（2）激光與切削方式的集成方法缺乏創(chuàng)新。激光加熱輔助車削技術(shù)相對(duì)成熟，而加熱輔助銑削或者鉆削由于激光很難直接到達(dá)切削區(qū)域，通常通過(guò)熱傳導(dǎo)或者整體加熱的方式提升切削區(qū)溫度，造成能量的損耗及其他加工區(qū)域的損傷，如何改進(jìn)工藝，提升加熱效率是存在的問(wèn)題。

基于上述問(wèn)題，未來(lái)激光加熱輔助切削可能的研究方向包括3個(gè)方面。

（1） 研制激光加熱輔助切削智能裝備。研制集成激光參數(shù)智能調(diào)整、工藝規(guī)劃和加工過(guò)程監(jiān)測(cè)的一體化加工裝備，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)加工工藝的自適應(yīng)，降低激光系統(tǒng)的加入所引起的工藝繁雜，提升加熱溫度控制的穩(wěn)定性。

（2）改進(jìn)激光與切削復(fù)合方式。改進(jìn)激光與銑削、鉆削的復(fù)合方式，研究激光調(diào)控方式并設(shè)計(jì)集成裝置使激光能量能夠高效進(jìn)入切削區(qū)域，高效改善材料的可加工性能。

（3） 激光與微切削技術(shù)復(fù)合是發(fā)展的方向之一。由于加工尺度不同，常規(guī)尺度的加熱輔助切削機(jī)理會(huì)有所不同，因此需要對(duì)加熱輔助微切削機(jī)理進(jìn)行更深入的研究，通過(guò)多尺度模型或者分子動(dòng)力學(xué)的方法幫助理解微納尺度下激光加熱作用與加工表面形成的機(jī)理，從而拓寬加熱輔助切削技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2 水導(dǎo)激光加工技術(shù)

隨著精密醫(yī)療、航空航天、半導(dǎo)體以及核能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵零部件的性能要求越來(lái)越高，相應(yīng)地對(duì)加工方法和加工能力提出了更高要求。在零部件的制孔、刻劃以及切割等加工領(lǐng)域，激光加工相對(duì)傳統(tǒng)加工方法具有無(wú)應(yīng)力、高精度、高效率以及污染小等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在熱影響區(qū)、微裂紋、重鑄層等熱力加工手段的共有缺陷。為減小激光加工過(guò)程導(dǎo)致的熱損傷，研究人員嘗試將激光與水進(jìn)行結(jié)合，開發(fā)激光–水復(fù)合加工系統(tǒng)。1993年，Richerzhagen[37]開發(fā)了水射流導(dǎo)引激光加工，將高速水射流的光波導(dǎo)應(yīng)用于加工領(lǐng)域。相對(duì)于液芯激光波導(dǎo)加工[38]、水下激光加工[39]、水射流輔助共軸激光加工[40]和液滴輔助激光加工[41]等其他水輔助激光加工技術(shù)，在水導(dǎo)激光加工過(guò)程中不僅射流的沖刷和冷卻作用顯著，加工表面的能量分布也最為均勻，目前已經(jīng)投入商業(yè)化應(yīng)用。

2.1 形成原理

1841年，Colladon[42]發(fā)現(xiàn)光可沿著彎曲的水射流傳輸，首次證明了水射流導(dǎo)引光的可能性。探究水導(dǎo)引光的原理發(fā)現(xiàn)，由于水的折射率大于空氣，當(dāng)激光在水射流中傳輸時(shí)存在一全反射臨界角，小于該臨界角的入射光即在水和空氣的交界面發(fā)生全反射，從而被限制在水射流中傳輸[43]。在水導(dǎo)激光的形成過(guò)程中，聚焦激光束先后通過(guò)空氣層、玻璃窗口和水層，最終在噴嘴端面附近與耦合腔形成的高速微射流耦合，形成向下穩(wěn)定傳輸?shù)鸟詈夏苁鐖D15所示[44]。根據(jù)加工要求的不同，射流直徑一般在25～150μm。隨射流到達(dá)加工表面的激光能量被材料吸收，產(chǎn)生的熱量熔化、蒸發(fā)加工區(qū)域材料，并使其以氣泡、熔渣、等離子體等形式從基體分離去除。相對(duì)于傳統(tǒng)激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光的工作距離更大，工件表面無(wú)明顯的毛刺、重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)等加工導(dǎo)致的損傷。在工作距離內(nèi)，激光在射流中的多次全反射使截面能量呈“平頂型”分布，從而使得加工截面幾乎無(wú)錐度。水導(dǎo)激光加工過(guò)程中的水射流壓力一般不大于50MPa，不足以對(duì)材料實(shí)現(xiàn)沖擊去除，主要用于傳輸激光能量、沖刷殘?jiān)约袄鋮s加工區(qū)域。

圖15 水導(dǎo)激光加工技術(shù)工作原理[44]Fig.15 Working principle of water-jet guided laser processing technology[44]

2.2 加工理論與仿真研究

水導(dǎo)激光加工技術(shù)的優(yōu)越性引起學(xué)者們廣泛的研究興趣，針對(duì)水導(dǎo)激光形成、傳輸以及加工過(guò)程等進(jìn)行的原理性分析為實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。Anantharamaiah[45]對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)形式及其周邊的流場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明水導(dǎo)激光加工需要穩(wěn)定的“縮流”，該射流直徑約為噴嘴直徑的80%。“下錐形”噴嘴是水導(dǎo)激光加工最合理的噴嘴結(jié)構(gòu)，且噴嘴的毛細(xì)長(zhǎng)度不應(yīng)大于直徑的70%。Zhang等[46]研究射流沖擊加工表面后形成的流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，隨著距射流軸線距離的不斷增大，水射流擴(kuò)散形成的液流膜換熱系數(shù)逐漸減小，這對(duì)研究加工過(guò)程中的熱量交換具有指導(dǎo)意義。對(duì)于激光在水射流中的損耗，水本身會(huì)對(duì)激光能量產(chǎn)生線性吸收，吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖16所示[47]，衰減后的激光能量與傳輸距離存在以下關(guān)系。

圖16 水對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收系數(shù)[47]Fig.16 Absorption coefficient of water for different wavelength laser[47]

式中，I0為初始激光能量；Ix為經(jīng)過(guò)水層x衰減后的激光能量；x為傳輸距離；Δ為吸收系數(shù)的倒數(shù)。而當(dāng)激光功率超過(guò)一定值后，激光在水中產(chǎn)生受激拉曼散射，造成激光能量的非線性損耗。在此研究基礎(chǔ)上，Brecher等[48]通過(guò)優(yōu)化加工參數(shù)，首次將5kW的大功率激光與水射流成功耦合。對(duì)于激光與水射流的耦合，李春奇[49]系統(tǒng)地研究了成功耦合的條件：聚焦后的焦點(diǎn)應(yīng)近似位于噴嘴入口表面，焦斑半徑小于射流半徑且激光入射角小于全反射臨界發(fā)散角；此外，他還通過(guò)計(jì)算得出了通過(guò)射流中軸線的子午光線以及偏離中軸線的斜射光線在射流中的傳輸軌跡。Yang等[50]對(duì)耦合過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行了深入研究，為耦合部件的加工和耦合過(guò)程的調(diào)整提供了參考依據(jù)。對(duì)于激光在水射流中的傳輸，Couty等[51]研究了激光數(shù)值孔徑和偏心距等參數(shù)對(duì)激光能量分布的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)優(yōu)化加工工藝和水射流參數(shù)可使射流截面能量分布更為均勻。Deng等[52]采用時(shí)域有限差分法求解了不同射流直徑條件下1064nm 激光與水射流的耦合狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)越小的射流直徑對(duì)應(yīng)著越均勻的能量分布，但會(huì)出現(xiàn)耦合效率降低的情況。

為理解水導(dǎo)激光與材料的作用原理，研究人員建立了水導(dǎo)激光加工過(guò)程的理論模型。Li等[53]建立了水導(dǎo)激光刻劃硅片的仿真模型，模型中考慮了激光能量的輸入、水射流的冷卻以及硅材料的熔化去除，仿真結(jié)果預(yù)測(cè)了加工速度和溝槽深度之間的變化規(guī)律，且通過(guò)與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了仿真的有效性。

Wang等[54]使用ANSYS軟件仿真了不同射流速度對(duì)水導(dǎo)激光加工過(guò)程中的材料去除及其溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律，加工材料選擇硅片、1Cr18Ni9Ti不銹鋼和65Mn，不同的射流速度在仿真中簡(jiǎn)化為不同的對(duì)流換熱系數(shù)，仿真結(jié)果為匹配射流速度和激光參數(shù)提供了理論參考。

為理解水導(dǎo)激光加工新型復(fù)合材料的瞬態(tài)熱效應(yīng)和去除機(jī)理，Zhang等[55]基于“生死單元”方法建立了水導(dǎo)激光加工CFRP的非均質(zhì)三維模型，仿真結(jié)果如圖17所示，發(fā)現(xiàn)脈沖占空比對(duì)加工表面的形狀和溫度分布具有顯著影響，減小占空比增加了射流冷卻時(shí)間，有利于減少熱應(yīng)力積累，抑制微裂紋等加工缺陷的產(chǎn)生。

圖17 不同脈沖占空比加工得到的孔深和溫度場(chǎng)仿真結(jié)果[55]Fig.17 Simulation results of hole depth and temperature field obtained by machining with different pulse duty cycles[55]

2.3 試驗(yàn)研究

在理論研究的同時(shí)，研究人員進(jìn)行了大量水導(dǎo)激光與其他加工技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，確立了其在實(shí)際加工環(huán)境中的優(yōu)越性。Rashed等[56]對(duì)比了水導(dǎo)激光和電火花切割不銹鋼后的切縫形貌，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)激光加工得到的截面更加整齊、粗糙度更小。Wagner等[57]分別采用水導(dǎo)激光和氣體輔助激光切割不銹鋼板，對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水導(dǎo)激光加工得到的表面無(wú)毛刺、重鑄層和材料氧化等缺陷。這表明水射流排出熔渣的能力更強(qiáng)，同時(shí)具有冷卻加工區(qū)域，隔絕空氣避免材料氧化的作用。Gurav等[58]進(jìn)一步對(duì)比了水導(dǎo)激光、“干激光”和電火花加工技術(shù)在鎳基高溫合金上的制孔質(zhì)量，水導(dǎo)激光加工的孔質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，重鑄層厚度不足8μm，且不存在微裂紋，如圖18所示。Dushkina等[59]分別采用水導(dǎo)激光和機(jī)械加工方法切割GaAs晶片，水導(dǎo)激光加工的切面質(zhì)量更好，不存在顆粒污染，且切割速度是機(jī)械切割 的7～10倍。Marimuthu等[60]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了水導(dǎo)激光和毫秒脈沖激光加工新型難加工復(fù)合材料的加工效果，在2mm厚的鋁基復(fù)合材料（Al MMC）上制孔時(shí)，水射流的存在使得水導(dǎo)激光加工過(guò)程為近似的“冷燒蝕”，避免了熔池對(duì)流造成的增強(qiáng)相遷移，最大限度地保持了材料初始結(jié)構(gòu)。

圖18 鎳基高溫合金的加工表面形貌[58]Fig.18 Machined surface morphology of nickel base superalloy[58]

針對(duì)水導(dǎo)激光加工不同材料時(shí)的加工工藝和作用規(guī)律，學(xué)者們進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究。Porter等[61]采用不同工藝參數(shù)對(duì)鋁板、黃銅板以及不銹鋼板進(jìn)行切割，結(jié)果顯示工作距離超過(guò)一定值后不能實(shí)現(xiàn)成功切割，材料去除量隨進(jìn)給速度的加快而減少，射流偏角會(huì)造成加工表面能量密度的降低。對(duì)比不同材料的加工結(jié)果發(fā)現(xiàn)，材料對(duì)激光的吸收率、熔點(diǎn)等特性對(duì)加工效率和質(zhì)量具有重要影響，高熔點(diǎn)的銅極易沉積在加工表面，造成表面質(zhì)量的降低，如圖19所示[61]。Weiss等[62]詳細(xì)分析了大功率水導(dǎo)激光切割不銹鋼材料相變情況，加工開始后切口邊緣發(fā)生瞬態(tài)的氧化反應(yīng)，且氧化層厚度隨著進(jìn)給速度的提高而減小。Qiao等[63]進(jìn)行了硅片的單因素刻劃試驗(yàn)，得到了激光功率、重復(fù)頻率、刻劃次數(shù)和進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響關(guān)系，優(yōu)化參數(shù)后加工的溝槽深寬比可達(dá)12.7，且切縫邊緣整齊，幾乎無(wú)微裂紋和材料氧化。Hopman等[64]將水導(dǎo)激光加工技術(shù)用于薄脆硅片的切割，試驗(yàn)過(guò)程中采用了幾種不同波長(zhǎng)的激光系統(tǒng)進(jìn)行加工，對(duì)比加工質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光能量密度高于一定值時(shí)，燒蝕深度和燒蝕效率都會(huì)降低，原因是在更高的能量密度下硅的蒸發(fā)去除比例增大，其材料去除效率低于高速射流沖刷熔化硅的材料去除效率。

圖19 水導(dǎo)激光刻劃鋁、不銹鋼和黃銅的表面質(zhì)量對(duì)比[61]Fig.19 Comparison of surface quality of aluminum, stainless steel and brass grooved by water-jet guided laser[61]

隨著水導(dǎo)激光加工技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，水導(dǎo)激光與鎳基高溫合金、碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料 （CFRP）、碳碳復(fù)合材料 （CMCs）等新型耐高溫、耐腐蝕材料的作用原理引起學(xué)者們的廣泛研究興趣。Diboine等[65]在水導(dǎo)激光刻劃鎳基高溫合金的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，耦合能束靠近壁面的過(guò)程中材料去除量逐漸減少，分析認(rèn)為壁面影響了射流附近流場(chǎng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響耦合能束的傳輸，降低激光能量的傳輸效率。為深入理解水導(dǎo)激光制取渦輪葉片氣膜孔的材料分層現(xiàn)象，Marimuthu等[66]對(duì)比分析了不同射流傾角下激光重頻對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律，選用葉片基底材料為2mm厚的C263合金，涂覆300μm厚陶瓷涂層和100μm MCrAlY黏結(jié)層，分析發(fā)現(xiàn)，增大激光重頻可以減小脈沖能量和功率密度，避免了基體和涂層界面過(guò)度的熱量集中，最終通過(guò)參數(shù)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)無(wú)分層加工。Liao等[67]深入研究了水導(dǎo)激光加工718鎳基高溫合金時(shí)的表面結(jié)構(gòu)及形成原因，觀察加工表面發(fā)現(xiàn)，重鑄材料沿水射流方向排列成脊?fàn)钐卣鳎C明了水射流對(duì)表面形成具有重要作用。水射流限制下的高壓等離子體不斷沖擊材料基體，形成高密度的孿晶和位錯(cuò)，如圖20（a）所示[67]，孿晶和位錯(cuò)的出現(xiàn)強(qiáng)化了材料結(jié)構(gòu)，顯著提升了材料的低周疲勞壽命。Subasi等[68]通過(guò)試驗(yàn)研究了水導(dǎo)激光在不同航空鎳基高溫合金上制取直徑430μm微孔的工藝時(shí)間和質(zhì)量變化，試驗(yàn)材料選擇Inconel 625、Inconel 718、Rene 41和CMSX–4，結(jié)果表明，采用水導(dǎo)激光在不同材料上制孔的難易程度差異很小，制孔效率很大程度上取決于所選的激光參數(shù)和孔的縱橫比，而非同一合金系中的不同材料特性。Sun等[69]通過(guò)試驗(yàn)研究了水導(dǎo)激光切割多層CFRP板材時(shí)不同掃描策略對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律及其原因，由于材料結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，按照矩形軌跡逐層切割得到的切縫形貌呈“鋸齒”狀，采用平行軌跡向右切割時(shí)排除了左側(cè)材料對(duì)射流穩(wěn)定性的影響，可在切縫右側(cè)獲得質(zhì)量更好的切面，切縫形貌如圖20（b）所示。Wu等[70]采用水導(dǎo)激光分別切割1mm、2mm、4mm和10mm厚的CFRP板材，分析了碳纖維排列方向和切割路徑對(duì)加工質(zhì)量的影響，通過(guò)對(duì)比切面材料的結(jié)構(gòu)差異，總結(jié)了纖維露出、脫落和拔出3種損傷機(jī)理。在水導(dǎo)激光加工CMCs的試驗(yàn)中，Cheng等[71]引入了同軸螺旋輔助氣氛，與空氣、氮?dú)夂蛪嚎s空氣輔助氣氛相比，氬氣氣氛條件下加工得到的斷面齊整、質(zhì)量更好，如圖20（c） 所示。分析認(rèn)為，密度更大的氬氣最大限度地減少了射流動(dòng)量的摩擦損耗，增強(qiáng)了射流的沖刷作用；同時(shí)氬氣在加工區(qū)域提供惰性環(huán)境，進(jìn)一步抑制了材料氧化。

圖20 水導(dǎo)激光加工后的材料形貌Fig.20 Material morphology after water-jet guided laser processing

2.4 小結(jié)

系統(tǒng)介紹了水導(dǎo)激光加工技術(shù)的形成原理、相關(guān)理論研究以及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，加深了針對(duì)水導(dǎo)激光的理論認(rèn)識(shí)，證實(shí)了其在微細(xì)加工領(lǐng)域中的關(guān)鍵應(yīng)用價(jià)值。但在面向更高質(zhì)量、更大深寬/徑比的孔、槽加工需求時(shí)，水導(dǎo)激光仍存在許多問(wèn)題。

（1）大功率激光在水射流中的衰減。高功率密度的激光在水射流中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的能量衰減，甚至產(chǎn)生擊穿，能量衰減降低了激光能量的利用率、限制了水導(dǎo)激光在大厚度工件上的制孔、切割等應(yīng)用。

（2）獲取更高質(zhì)量的水存在諸多困難。目前水導(dǎo)激光加工技術(shù)采用的過(guò)濾去離子脫氣水仍存在少量的雜質(zhì)、氣泡和等離子體，影響激光在水射流中的全反射傳輸以及耦合能束的穩(wěn)定性。

（3）高質(zhì)量微孔、溝槽加工受限。噴嘴直徑?jīng)Q定射流直徑，射流直徑越小，加工的孔徑、槽寬越小，加工質(zhì)量越高。目前采用的噴嘴直徑最小在30μm左右，如何進(jìn)一步減小噴嘴直徑、同時(shí)保證噴嘴邊緣鋒銳度、壁面粗糙度等質(zhì)量以及激光與水射流的耦合精度，對(duì)提升水導(dǎo)激光的加工能力具有重要意義。

基于上述存在的問(wèn)題，未來(lái)水導(dǎo)激光可能的研究方向包括以下3點(diǎn)。

（1）深入分析激光能量在水射流中的分布及衰減規(guī)律。水吸收激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)改變水的折射率，進(jìn)而改變激光在水射流中的傳輸狀態(tài)和能量分布。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步研究激光束在水中由于吸收而造成的能量損失，以及改變激光和射流參數(shù)彌補(bǔ)損失的可能性。

（2）進(jìn)一步完善水導(dǎo)激光加工過(guò)程中的多物理場(chǎng)研究。目前水導(dǎo)激光技術(shù)的研究主要集中在激光與物質(zhì)的相互作用和水射流穩(wěn)定性上，深入研究激光束、水射流和工件材料三者之間的相互作用，有助于理解水導(dǎo)激光加工過(guò)程中的材料去除和表面成形機(jī)理。

（3）拓寬水導(dǎo)激光的應(yīng)用領(lǐng)域。水導(dǎo)激光在碳化硅陶瓷、新型復(fù)合材料等難加工材料的加工方面同樣具有加工質(zhì)量高、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)，但目前在該領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少。

3 激光復(fù)合探針納制造技術(shù)

當(dāng)前，隨著電子器件尺寸逐漸微納化，研究更小尺寸的新型機(jī)電器件已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究的重要方向。傳統(tǒng)的掩模光刻工藝已經(jīng)無(wú)法滿足新型納米尺度表面結(jié)構(gòu)的制造，高能束流加工如電子束刻蝕、離子束刻蝕、X射線光刻提供了有效的方法，然而其成本昂貴，技術(shù)工藝復(fù)雜，在納制造領(lǐng)域受到了較大的限制。激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種集納米操作、納米熱熔互連、微納結(jié)構(gòu)熱制造于一體的技術(shù)[72]，利用激光復(fù)合探針技術(shù)，通過(guò)激光照射金屬探針產(chǎn)生高能近場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微納對(duì)象的非接觸、無(wú)損傷微納集成與制造，本節(jié)將對(duì)激光復(fù)合探針作用理論、仿真與試驗(yàn)進(jìn)展進(jìn)行綜述。

3.1 激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理研究

根據(jù)近場(chǎng)光學(xué)理論，當(dāng)具有一定能量的激光作用于鍍有金屬層的探針時(shí)，探針針尖尖端處會(huì)產(chǎn)生較大的近場(chǎng)能量集中現(xiàn)象。金屬作為一種光子材料，放置于近場(chǎng)中會(huì)與光發(fā)生自由電子的交叉作用，從而導(dǎo)致金屬表面的自由電子發(fā)生共振現(xiàn)象，學(xué)者稱之為表面等離子激元[73–75]。通過(guò)一些方法可以實(shí)現(xiàn)表面等離子激元強(qiáng)度的調(diào)控，如改變金屬探針的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸，改變激光性質(zhì)等，通過(guò)調(diào)控等離子激元強(qiáng)度，可以在光學(xué)微納器件研發(fā)、制造領(lǐng)域得到較大的應(yīng)用前景。

激光作用形式多種多樣，目前主要存在近場(chǎng)激光和遠(yuǎn)場(chǎng)激光輻照探針針尖產(chǎn)生近場(chǎng)增強(qiáng)兩種形式。遠(yuǎn)場(chǎng)激光是通過(guò)脈沖或連續(xù)激光直接平行輻照探針整體，在針尖處產(chǎn)生較大的近場(chǎng)增強(qiáng)，然而遠(yuǎn)場(chǎng)激光輻照對(duì)樣品和探針影響較大，易造成探針受熱彎曲和樣品受熱膨脹，大大限制了激光復(fù)合探針微納制造的發(fā)展。激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)目前主要是通過(guò)光纖探針導(dǎo)光激光與原子力顯微鏡 （Atomic force microscope, AFM）探針復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)光纖激光輻照針尖時(shí)，傳播的電磁波傳遞給金屬探針針尖，當(dāng)入射頻率與自由電子振蕩頻率發(fā)生匹配時(shí)，大量自由電子會(huì)在針尖表面發(fā)生較大的集體振蕩，誘導(dǎo)針尖尖端產(chǎn)生近場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象。

近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)是由光纖探針輸出端和AFM探針尖端的增強(qiáng)電場(chǎng)相互作用復(fù)合而成，其復(fù)合物理模型和分析模型如圖21所示[76]。該模型顯示，光纖探針發(fā)出激光的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)可以被限制在一個(gè)非常小的區(qū)域內(nèi)，由于AFM探針的尺寸效應(yīng)，將幾十納米半徑的針尖放置于近場(chǎng)增強(qiáng)小區(qū)域內(nèi)，AFM探針針尖發(fā)生進(jìn)一步近場(chǎng)增強(qiáng)，經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)矢量疊加，可在探針針尖處極小區(qū)域內(nèi)發(fā)生較大的集中近場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象，為熱場(chǎng)、力場(chǎng)等多物理場(chǎng)耦合而成。通過(guò)調(diào)控多物理場(chǎng)，光纖探針導(dǎo)光激光與AFM探針相復(fù)合的技術(shù)在納米操作[77–82]、納加工及納米線互連方面具有重要的應(yīng)用前景。

圖21 光纖激光復(fù)合AFM探針模型的建立[76]Fig.21 Model of fiber optic probe conducted fiber laser composite AFM probe[76]

3.2 激光復(fù)合探針加工過(guò)程仿真研究

為了驗(yàn)證激光復(fù)合探針產(chǎn)生近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，一些學(xué)者進(jìn)行了激光復(fù)合探針理論與仿真研究。為了揭示連續(xù)激光遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)合AFM 探針尖端的電場(chǎng)分布，Cui等[83]提出了探針針尖電場(chǎng)分布計(jì)算模型，當(dāng)激光與金屬 AFM 探針針尖相互作用時(shí)，針尖會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)電場(chǎng)梯度，在針尖下方的最高電場(chǎng)幅度值為9.548V/m，這表明AFM尖端是初始入射激光的電場(chǎng)幅度的9.548倍，此外，觀察到AFM尖端周圍電場(chǎng)分布不均，激光照射側(cè)針尖表面電場(chǎng)強(qiáng)度高于無(wú)激光照射側(cè)，這主要取決于激光在AFM尖端表面的反射以及與AFM尖端表面的疊加。與遠(yuǎn)場(chǎng)激光相比，近場(chǎng)是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，指的是光學(xué)納米尺度被縮放到一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的作用場(chǎng)，因此其能突破衍射極限，擁有超高空間分辨率特性。為了探究激光輻照探針近場(chǎng)增強(qiáng)進(jìn)行熱制造的作用效果及遠(yuǎn)場(chǎng)近場(chǎng)激光輻照針尖的效果對(duì)比，一些學(xué)者開展了仿真與試驗(yàn)研究。崔健磊等[76]進(jìn)行了連續(xù)激光平行遠(yuǎn)場(chǎng)輻照及光纖探針輻照AFM探針的仿真研究，如圖22（a）所示，遠(yuǎn)場(chǎng)激光針尖尖端溫度呈梯形分布，頂端溫度集中且強(qiáng)度最大，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)光強(qiáng)為1.5×1011W/m2時(shí)，針尖尖端可以獲得穩(wěn)定的1597.6K高溫。如圖22（b）所示[76]，光纖探針導(dǎo)光激光復(fù)合探針相比于遠(yuǎn)場(chǎng)直接輻照精度更高，同時(shí)不會(huì)對(duì)周圍區(qū)域造成輻照損傷，將探針?lè)庞诠饫w探針近場(chǎng)中可實(shí)現(xiàn)二次增強(qiáng)效果，在微納結(jié)構(gòu)制造方面存在較大的應(yīng)用前景[84]。光纖激光導(dǎo)光又分為聚焦連續(xù)激光和脈沖激光，對(duì)這兩種激光輻照探針針尖近場(chǎng)增強(qiáng)產(chǎn)生的熱場(chǎng)分布及大小進(jìn)行了對(duì)比仿真分析，發(fā)現(xiàn)脈沖激光也可以在針尖產(chǎn)生較高的溫度，但是其溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化發(fā)生了較大的波動(dòng)，當(dāng)連續(xù)激光照射時(shí)，可以在探針針尖產(chǎn)生穩(wěn)定的高溫?zé)釄?chǎng)，通過(guò)調(diào)整激光波長(zhǎng)、功率偏振方向等參數(shù)實(shí)現(xiàn)較高的控制精度，這有利于高精度納米互連和納米刻蝕過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

圖22 激光復(fù)合微納探針的物理場(chǎng)分布[76]Fig.22 Physical field distribution of continuous laser composite probes[76]

為了探究激光復(fù)合探針產(chǎn)生的近場(chǎng)增強(qiáng)對(duì)基底微納加工的作用效果，一些學(xué)者通過(guò)理論與仿真進(jìn)行了去除過(guò)程的作用機(jī)制分析，探究了不同參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的作用關(guān)系。Peng 等[85]利用近場(chǎng)激光輻照帶有金屬涂層的探針針尖對(duì)單晶硅基底進(jìn)行模擬加工，通過(guò)仿真得到了針尖電場(chǎng)分布模型和針尖溫度與加工質(zhì)量的關(guān)系圖，如圖23（a）所示，通過(guò)調(diào)控有限元仿真邊界分布，得到了探針針尖熱場(chǎng)分布與微納加工結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，為激光復(fù)合探針進(jìn)行納制造提供了理論基礎(chǔ)。Meng等[86]探究了探針涂層和厚度對(duì)激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)的影響規(guī)律，通過(guò)仿真分析可知，具有金屬涂層的硅或氮化硅探針可以獲得比未涂覆的探針更大的場(chǎng)增強(qiáng)效果，硅探針上金和銅涂層的組合可以顯著增強(qiáng)近場(chǎng)效應(yīng)，這優(yōu)于單獨(dú)的金或鉻涂層；同時(shí)，探頭表面涂層的厚度會(huì)影響近場(chǎng)增強(qiáng)的空間分辨率，如圖23（b）所示。因此應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的金涂層厚度以平衡電場(chǎng)增強(qiáng)和空間分辨率，為進(jìn)一步試驗(yàn)提供參數(shù)上的優(yōu)化。

圖23 不同參數(shù)對(duì)激光復(fù)合探針近場(chǎng)的作用規(guī)律Fig.23 Effect of different parameters on near field of laser composite probe

此外，一些學(xué)者在激光輻照形式上進(jìn)行了創(chuàng)新。龍昊天[87]提出了一種激光輻照雙探針產(chǎn)生近場(chǎng)增強(qiáng)的新方案，仿真結(jié)果表明，金屬探針和偏振激光器的不同組合提供了不同的近場(chǎng)強(qiáng)度，在探針和偏振方向合適的情況下，雙探針比單探針表現(xiàn)出更高的近場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象和更寬的有效波長(zhǎng)范圍。Lu等[88]提出了一種環(huán)形光誘導(dǎo)微納探針近場(chǎng)效應(yīng)的集成方法以及一種新型探針結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)仿真分析得出，當(dāng)環(huán)形光輻照微納探針時(shí)，在針尖周圍產(chǎn)生了強(qiáng)烈的近場(chǎng)增強(qiáng)，當(dāng)帶基底和小球單側(cè)光輻照微納探針時(shí)，盡管一部分能量被基底所吸收，小球和針尖之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的近場(chǎng)增強(qiáng)，更有利于利用光誘微區(qū)能場(chǎng)進(jìn)行納米集成連接與納制造。這些結(jié)果為納米制造領(lǐng)域提供了更多新穎和有前途的選擇，從而可以開發(fā)出高性能多功能刻蝕系統(tǒng)。

3.3 激光復(fù)合探針納制造試驗(yàn)研究

為了探究激光復(fù)合探針進(jìn)行納制造的可行性，需要對(duì)近場(chǎng)增強(qiáng)理論及仿真進(jìn)行驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開了試驗(yàn)探索。哈爾濱工業(yè)大學(xué)程柏等[89]進(jìn)行了光纖探針引導(dǎo)光纖激光復(fù)合探針刻蝕聚乙烯薄膜的納米點(diǎn)與納米線工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)裝備如圖24所示，主要由激光發(fā)生及其控制系統(tǒng)、AFM系統(tǒng)、光纖探針和納米三維移動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)等組成，利用此設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，探究了通光時(shí)間、激光能量、掃描間距等參數(shù)對(duì)聚乙烯薄膜的加工質(zhì)量影響，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，形成的納米點(diǎn)的寬度約為200nm，深度約為100nm。結(jié)果表明，在光纖激光的輻照下在探針針尖產(chǎn)生了較大的溫度場(chǎng)，此溫度場(chǎng)給予材料梯形的溫度輻照，達(dá)到聚乙烯材料熔點(diǎn)時(shí)材料實(shí)現(xiàn)軟化，如圖25（a）所示[90]。在針尖的遇熱膨脹和梯形溫度場(chǎng)的共同作用下，材料出現(xiàn)了中間凹陷和邊緣突起的形狀，類似于“火山口”形狀，這證實(shí)了高溫區(qū)域局限于探針針尖，且溫度呈梯形向外衰減，同時(shí)驗(yàn)證了納米結(jié)構(gòu)的形成是由熔化、成核和納米晶3個(gè)過(guò)程組成的。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了納米刻蝕試驗(yàn)，如圖25（b）所示[90]，可以看出成功實(shí)現(xiàn)了納米溝槽的加工，納米線輪廓清晰，邊緣出現(xiàn)材料突起，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到納米線寬度為35nm，槽深為5nm。以上試驗(yàn)直觀地證明了使用光纖探針導(dǎo)光激光復(fù)合AFM探針進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造的可行性，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)納制造提供了一種有效途徑。

圖24 光纖激光復(fù)合探針試驗(yàn)裝置圖[89]Fig.24 Experimental setup of laser composite AFM probe[89]

圖25 光纖激光復(fù)合探針微納結(jié)構(gòu)加工試驗(yàn)[90]Fig.25 Micro and nano structure processing experiment on AFM probe tip illuminated by fiber probe laser[90]

崔健磊[76]利用上述設(shè)備進(jìn)一步完成了聚乙烯薄膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)納結(jié)構(gòu)加工試驗(yàn)，通過(guò)進(jìn)一步控制激光功率和探針掃描速度，刻蝕出了線寬約為200nm、線深約為100nm的“王”字，如圖26所示。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光纖激光復(fù)合AFM探針可以對(duì)聚乙烯基底進(jìn)行較好的復(fù)雜結(jié)構(gòu)刻蝕，同時(shí)，在參數(shù)不變的情況下，加工結(jié)構(gòu)尺寸基本保持一致。

圖26 光纖激光復(fù)合AFM探針刻蝕聚乙烯表面“王”字刻寫試驗(yàn)[76]Fig.26 Experiments of nano-writing“王”word with AFM probe tip illuminated by fiber probe laser on polyethylene substrate[76]

然而，利用連續(xù)激光或納秒激光復(fù)合探針進(jìn)行微納制造容易在探針針尖產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)，為了消除熱效應(yīng)，F(xiàn)alcón等[91]采用飛秒激光通過(guò)近場(chǎng)復(fù)合探針進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的制造。使用距離金相樣品表面幾納米的飛秒激光照射探針來(lái)燒蝕樣品，發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)對(duì)掃描次數(shù)和激光強(qiáng)度的依賴。飛秒激光光源照射探頭尖端時(shí)，可消除熱效應(yīng)引起的懸臂彎曲，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)熱效應(yīng)，熱影響區(qū)域相對(duì)較窄。相比之下，如果采用長(zhǎng)脈沖激光照射探頭，由于顯著的熱效應(yīng)，探頭懸臂梁將不可避免地彎曲。通過(guò)工藝探索，實(shí)現(xiàn)了納米線結(jié)構(gòu)的特征尺寸為40～70nm 寬和0.4～1nm深。

當(dāng)激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)以較高功率作用于材料時(shí)，當(dāng)針尖溫度遠(yuǎn)高于材料熔點(diǎn)，材料會(huì)發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的隆起，從而實(shí)現(xiàn)納結(jié)構(gòu)制造[92]。Yin等[93]利用原子力顯微鏡和連續(xù)波激光搭建了可進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造的納米光刻平臺(tái)，在環(huán)境條件下，用不同能量的探針尖端連續(xù)波激光誘導(dǎo)出納米粒子，獲得了特征直徑為188nm和172nm的納米點(diǎn)，其高度在30nm以下，同時(shí)通過(guò)掃描刻劃，獲得了線寬為25nm，高度約為14nm的納米錢結(jié)構(gòu)，如圖27所示，其結(jié)構(gòu)加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了衍射極限，同時(shí)證明了在不斷調(diào)節(jié)激光功率的情況下，納米槽和納米突起可以發(fā)生轉(zhuǎn)變，還建立了具有耦合能的納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變模型，解釋了這種轉(zhuǎn)變的潛在機(jī)理。

圖27 激光輻照探針高精度加工試驗(yàn)[93]Fig.27 Experiments of laser irradiating AFM probe tip[93]

3.4 小結(jié)

系統(tǒng)介紹了激光復(fù)合探針納制造技術(shù)的近場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理、加工過(guò)程仿真與試驗(yàn)研究現(xiàn)狀，綜上所述，激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)是一種可有效進(jìn)行納制造的技術(shù)，與其他納米制造技術(shù)相比，該技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出一系列優(yōu)勢(shì)，如具有成本效益的高精度結(jié)構(gòu)制造、廣泛樣本范圍的可用性以及環(huán)境下高精度的分辨率，然而其目前也存在一些問(wèn)題。

（1）對(duì)加工成形機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究，例如加工薄膜材料時(shí)帶來(lái)的激光反射問(wèn)題等。

（2）激光復(fù)合探針納制造目前還缺乏大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)探索，探針與基底加工間距、掃描速率、激光參數(shù)及類型等條件對(duì)不同尺寸和材料的結(jié)構(gòu)加工影響需要進(jìn)一步研究。

基于上述問(wèn)題，激光復(fù)合探針納制造未來(lái)的研究方向可包括以下兩方面。

（1）針對(duì)更多的材料開展激光復(fù)合探針劃刻試驗(yàn)，探究激光復(fù)合探針近場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)對(duì)不同基底的刻蝕加工，優(yōu)化加工參數(shù)，提高加工的可重復(fù)性和靈活性。不斷改進(jìn)激光作用類型和探針結(jié)構(gòu)，提高針尖尖端近場(chǎng)增強(qiáng)效果，為實(shí)現(xiàn)多樣性加工提供可行性。

（2）優(yōu)化激光復(fù)合探針納制造裝備，研發(fā)多探針并行加工裝備，滿足對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的智能化制造。

4 結(jié)論

基于激光的復(fù)合去除加工克服了激光束加工和其他常規(guī)工藝的不足，通過(guò)協(xié)調(diào)不同工藝與激光加工的作用關(guān)系和多能場(chǎng)耦合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的去除，所加工的工件具有更高的精度與表面完整性，同時(shí)可以提高材料去除率并降低加工成本。本文主要介紹了激光輔助切削、水導(dǎo)激光加工與激光復(fù)合探針納制造技術(shù)，并對(duì)3種復(fù)合加工類型的工藝特點(diǎn)與研究進(jìn)展進(jìn)行了論述。

激光加熱輔助切削通過(guò)激光提升難加工材料的局部溫度，改善可加工性能，適用于高溫時(shí)脆塑性轉(zhuǎn)變、強(qiáng)度與硬度性能變化明顯的材料，主要利用激光的加熱作用。采用此種方式還包括激光電化學(xué)輔助加工、激光磁流變液拋光技術(shù)等，這種復(fù)合技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)激光耦合方式，調(diào)整激光工藝參數(shù)，使其與主要的去除工藝相匹配，獲得最佳的加工效果。水導(dǎo)激光加工是激光與水射流加工共同耦合的作用，其關(guān)鍵是耦合器件與激光參數(shù)相匹配，實(shí)現(xiàn)兩種去除工藝的結(jié)合，降低激光加工材料的熱影響因素，提高加工效率。激光復(fù)合探針納制造技術(shù)是激光與微納探針復(fù)合產(chǎn)生近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)作用于材料，其關(guān)鍵是激光光斑與探針針尖耦合精度的匹配性，通過(guò)針尖納米精度的作用能場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)材料納米尺度去除，獲得高精度納米結(jié)構(gòu)的制造。

隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員會(huì)根據(jù)需求提出更多的激光復(fù)合加工方法，更深入研究復(fù)合加工的機(jī)理，探索激光與其他能場(chǎng)的耦合過(guò)程，充分考慮激光及其他能場(chǎng)與材料的作用過(guò)程，獲取臨界轉(zhuǎn)化條件與材料去除的相互依賴性，從實(shí)用性及系統(tǒng)的可靠性方面進(jìn)一步提升復(fù)合方式，同時(shí)將復(fù)合制造技術(shù)融入目前的加工制造體系中，從而突破加工技術(shù)的瓶頸。