引言
近年來，隨著醫(yī)療、航空航天、半導體和新能源等領域迅速發(fā)展，對關鍵零部件的性能要求不斷提高，水導激光加工技術作為一種創(chuàng)新切割方法應運而生。它通過在激光切割過程中引入水流，能夠有效減少熱損傷，提高切割后的材料表面質量，從而實現(xiàn)對所需材料的精確加工，可以說是新一代精密加工利器。
什么是水導激光？
01
技術原理水導激光加工是一種綠色、高效、新型的激光冷加工技術，其技術原理是以高壓微水束作為“光纖”，通過合理光學設計，將激光耦合至水束中，并通過水束引導激光到加工材料表面（圖1)。該技術原理研究涉及激光、材料、流體、傳熱學等多個學科，交叉性強，水與激光的耦合技術是該加工方法的關鍵技術。
1、
圖1 水導激光加工技術的工作原理[1]
02
與傳統(tǒng)激光加工的對比水導激光是結合了水射流和激光束的創(chuàng)新加工方法，加工時可以大大減少熱損傷，提高加工精度和質量，同時還可以減少加工時間和廢料。下面從切割精度、熱影響區(qū)、表面質量等角度對比常規(guī)激光加工和水導激光加工兩者存在的差異（圖2）。
圖2 常規(guī)激光加工與水導激光加工特點對比
可以說，在加工過程中，水導激光利用水作為傳導介質，無需對焦就能實現(xiàn)高效、高精密加工，水束流有冷卻、沖刷作用，大大避免熱損傷以及提高加工表面質量。
水導激光加工技術的起源及發(fā)展
從工業(yè)考古出發(fā)，水導激光是1986年由德國公司Aesculap-Werke AG發(fā)明的，首代設備僅僅是在光纖出口加了一小柱水流。1991年，Lasag AG公司在之前的基礎上，將激光聚焦在噴嘴中，從而形成了真正意義上的水導激光。
1997年，Synova SA公司將上述原理樣機商用化，并進行了工業(yè)化應用[2]。早期的研究主要集中在激光與水介質的相互作用以及水介質對激光束的傳輸和聚焦效果。隨著激光技術的不斷進步，研究人員開始探索水導激光技術在其他領域的的應用。
進入21世紀，國內科學家們開始深入探索水導激光的技術原理。研究人員對激光在水中的傳播特性，包括激光與水的相互作用、激光在水束中的折射和散射規(guī)律等進行了大量的理論研究和實驗驗證。例如，通過建立復雜的光學模型來模擬激光在不同水質（如純水、含有微量雜質的水）中的傳播路徑，以更好地理解如何通過水來精確引導激光能量。
這一時期，水導激光開始初步應用于一些對精度和熱影響要求較高的特定領域，如珠寶加工和部分精密電子元件制造。隨著對水導激光加工技術的深入理解，其材料加工范圍不斷拓展。
除了早期應用的材料外，研究學者還嘗試應用于一些難加工材料，如超硬陶瓷和高強度金屬合金。在醫(yī)療領域，水導激光被用于加工生物相容性材料，如用于制造植入式醫(yī)療器械的特殊聚合物和金屬材料。在保證不損傷材料性能的前提下，適用于制造復雜的形狀和結構的構件，滿足醫(yī)療設備的特殊需求。進入多元創(chuàng)新階段，水導激光開始與其他先進技術進行融合。
例如，與計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術相結合，實現(xiàn)了更加自動化和智能化的加工過程。通過CAD/CAM軟件，可以精確地設計加工路徑和參數(shù)，然后直接控制水導激光加工設備進行加工。
水導激光產業(yè)及規(guī)模
水導激光的應用規(guī)模有多大據華經產業(yè)研究院公開信息稱，全球AI芯片數(shù)量情況呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢。智能安防、無人駕駛、智能手機、智慧零售、智能機器人等幾大行業(yè)對AI芯片的需求不斷增長，推動了AI芯片市場的快速發(fā)展。
2022年全球AI芯片數(shù)量為1433萬套，同比增長18.2%；2023年AI芯片的數(shù)量將增至1640萬套，同比增長14.4%。
2020-2023年全球AI芯片數(shù)量情況 AI芯片是高性能計算的核心引擎，在神經網絡訓練和大規(guī)模并行計算中承擔高運算負荷，產生大量熱量。
若散熱不及時有效，芯片會過熱，影響AI系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性，所以先進的導熱材料和散熱技術成為產業(yè)焦點。AI芯片所需散熱器數(shù)量受芯片功耗、工作頻率和散熱設計效率等因素影響。
高性能AI芯片通常需要2-4個散熱器來確保熱量管理和性能穩(wěn)定。我們不妨來假設下，如果AI芯片所需的散熱器用的都是超硬陶瓷材料，那么2023年全球AI芯片所用的散熱器數(shù)量為3280-6560萬件，這就是水導激光可能在AI芯片的應用市場。
而這還僅僅是AI芯片中的，這里我們僅給大家提供一個大致的概念，不代表真實應用數(shù)量。
在全球范圍，水導激光相關的核心產品目前主要來自于2家瑞士公司——
1、Synova公司（13522079385）
2、AVonisys公司（13501282025）
前者采用綠光激光器，后者采用紅外激光器。
而我國在水導激光裝備開發(fā)方面相對國際先進水平還有較大差距，同時，缺乏成熟穩(wěn)定的設備也制約了相關行業(yè)加工技術的發(fā)展。
