光电快充SYNOVA与水射流引导激光

谁能想到光和水的融合会产生一种新的加工技术，能够以最高的精度和质量切割最坚硬的材料?年，Synova的创始人BernoldRicherzhagen在瑞士的实验室里首次证明了这一概念的可行性。这一发明颠覆了航空、钻石和半导体行业的激光加工规则和面貌。

BernoldRicherzhagen设想了如何结合水射流和激光来进行材料切割。经过多年的研究，他发明了一种混合加工方法：年获得专利的LMJMicroJet?(LMJ)技术将激光与一种低压且如发丝般细小的水射流结合在一起，这种水射流通过像传统光纤一样的内反射方式引导激光束。

Richerzhagen的技术从根本上不同于高压水射流切割或传统激光加工：低水压不足以切断材料，相反，是激光能量融化和蒸发了它。激光由水射流引导且实时冷却，几乎不会对材料造成热损伤。

谁能想到富有历史意义的里歇尔哈根的发明灵感最初来自一个近两个世纪前进行的光和水的实验呢！

第一次光和水流的融合

这个发生在年前的实验，第一次证明了光和水之间的“融合”。

日内瓦大学(GenevaUniversity)的丹尼尔?科拉顿(DanielColladon)教授用一种基于全内反射的光学现象“光引导”(lightguide)来活跃讲堂气氛。年10月，他在巴黎艺术与科学天文台展示了一个这样的模型。

图1:Colladon的喷泉（光耦合进入水射流）

科拉顿的模型使用电弧灯作为光源。一个透镜聚焦了光线，经过水箱在另一边的洞中喷射而出，当水中的光线以一定角度掠过射流的边缘时，完全的内部反射将它们困在了液体中。光线沿着水射流的弯曲弧线反弹和水一起溅射进了收集盘。实际上，光线是沿着水的曲线移动的。

这项发明的首次应用是为喷泉照明，例如年巴黎世博会期间的照明喷泉:

图2:年巴黎世博会的照明喷泉

当然，同样的光引导效应也发生在光纤中。因此，科拉顿也被称为光纤之父。

图3:光在光纤中的全反射

激光和水射流结合的尝试

在20世纪80年代，人们尝试将激光和水射流这两种技术结合在一个混合过程中。

目前唯一已知的专利申请来自德国的Aesculap(DEDecember)，它描述了一种装置，通过直接围绕激光光纤尖端创建水射流，将激光束耦合到医疗应用水射流中。

图4:Aesculap专利设计

这种设计有个明显缺点:水的压力和流量必须保持很低，否则射流会立即产生紊流。因此，它不适用于工业应用。

埃塔(瑞士)试图将激光束耦合到一个传统的水射流喷嘴，但很快损坏了喷嘴，尽管如此，他们给出了相关的概念。Trumpf(德国)也做了一些估算，甚至得出“水射流和激光的组合将是低效的”这样的结论。

这些尝试都没有成功，没有一个产品被开发出来。彼时，市场上还没有水射流引导激光的商业版本。

激光冷加工牙科手工用具

Richerzhagen近似神来之笔式的找到了开发水引导激光器的切入点（激光冷加工牙科手工用具），激光应用中心(后来更名为Appliquée光学研究所)获得了用于牙科应用的激光项目的资金。

在亚琛工业大学获得机械工程硕士学位后，Richerzhagen在攻读博士学位的同时开始了这个项目的研究。他的任务是开发一种激光能量传输系统，用于牙科应用(去除龋齿)。

图5:带水射流导向激光的牙科手工具

Richerzhagen考虑了两种方法来冷却激光钻孔时的牙齿：一个是喷水，另一种是水射流产品，其中激光是由全反射引导的。尽管科拉顿在年前就发现了这一现象，但它从未被用于激光加工。

Richerzhagen决定采用这个解决方案，因为水射流引导激光有巨大的优势:平行激光束、长聚焦和非常有效的冷却，从而可以避免热损伤(牙齿上的削弱对温度变化非常敏感)。

EPFL激光实验室中可供测试的激光器起初是nm染料激光器，随后用的是nm的红外YAG激光器。

里歇尔哈根建造了他的第一个将激光束与水射流耦合在一起的产品原型，它由以下部分组成:

脉冲激光器(染料液体激光器，随后的YAG红外激光器)

水泵(10bar)

水室里有去离子水

高压水射流喷嘴(直径微米)

Richerzhagen的产品原型建立得益于著名的似稳水流理论，以实现自由水射流的稳定和层流，这使得从腔室流出的水能以恒定的、均匀的加速度通过喷嘴，一个窗口被放置来关闭水室，但允许激光束通过水。

与Aesculap设置的基本区别是：

(a)分离光学和水射流耦合；

(b)使用高质量的喷嘴来产生稳定的水射流。

激光通过水室的一扇窗户聚焦到水射流喷嘴上，然后耦合到从喷嘴喷出的水射流上。

图6:耦合单元模型

Richerzhagen的耦合单元得到了混合的结果。尽管他的计算和模拟表明，所有的光都应该通过喷嘴了，但喷嘴还是很快损坏了。实际上，上述设置导致喷嘴损坏，就像ETA设置一样。

在他的博士项目中，Richerzhagen以LASAG的名义准备了一份专利申请(FR,年5月)(LASAG是斯沃奇集团的一部分，共同资助了EPFL实验室)。该应用描述了一种基于上述概念的水射流导向系统，该系统具有一个大的准稳态水流腔。

图7:Richerzhagen的专利

热散焦效应

Richerzhagen正专注于为什么喷嘴会损坏。从年到年的两年集中研究导致了重要的科学发现。

里歇尔哈根的方法是设计一系列实验来理解为什么激光束不能在喷嘴中正确聚焦。他的第一个实验的目的是研究当一个透明的水腔从激光脉冲中吸收能量时会发生什么。

图8:测量通过水的两束激光强度的装置

Richerzhagen的实验使用了两个激光源:ND:YAG激光器(nm,微秒脉冲宽度)和连续的低功率氦氖激光器(nm)。光电二极管1测量了YAG激光器的信号幅度。

两束光都通过一个消色差透镜，该透镜的设计目的是使两种波长在水中有同一焦点。离开水后，两束激光通过一个光圈、透镜和一个过滤器，只允许氦氖激光光束通过光电二极管2。

在研究数字示波器上两个光电二极管发出的信号时，里歇尔哈根做了一个有趣的观察：在微秒ND:YAG激光脉冲期间和之后，氦氖信号的强度出现了损失。

图9:吸收ND:YAG激光脉冲能量引起的He-Ne激光信号损失

里歇尔哈根终于找到了这一现象的物理解释：在每个脉冲期间，水会吸收一小部分激光能量。这种能量转化为热。由于水的温度升高，折射率也发生了变化。

这就产生了所谓的“负透镜”。在激光脉冲后的一定时间内，水由于热传导和对流等热交换过程而冷却下来。结果，折射率又上升到原来的水平。热诱发透镜失去了它的作用。这种现象被称为热晕或热散焦。

在微秒的激光脉冲中，窗口和喷嘴(5毫米)之间的腔室中的水实际上是静止的。在脉冲持续时间内，只有在喷嘴上方的区域有足够的水速度进行对流孔和喷嘴本身。

观察到耦合系统的传输损耗随着脉冲能量的增加而增加，这导致了热散焦导致上述耦合问题的假设。这种散焦导致光束变宽，焦点位置偏移。

因此，很大一部分能量在理论焦点之外。这种能量击中了喷嘴的前表面并损坏了它。这一过程发生在激光脉冲过程中，在损坏的喷嘴上发现了明显的激光辐射痕迹。

图10:理论与实际离焦光束路径

热离焦的研究与校正

在确定了水温升高对激光信号强度的影响后，里歇尔哈根的下一个任务是测量激光光束通过水中时的轮廓变化。在这个实验装置中，里歇尔哈根使用了脉冲激光源，脉冲持续时间为微秒。激光束在一个装有两扇玻璃窗的容器中聚焦，输出窗口可以轴向移动，使光束的焦点始终在这个窗口上。

图11:激光脉冲期间测量束腰作为位置和时间函数的设置

成像光学放大了光束，两个偏振器用于降低激光功率而不扭曲强度分布，相机的快门速度可调至1微秒，成像光学使分辨率达到2.2微米。

Richerzhagen自动化了整个设置。他只需要在PC中输入时间增量步长和快门打开时间的值。测量分几个阶段进行。设定好快门开启时间后，相机在微秒激光脉冲开始时，在10个不同的轴向位置记录下前10帧。

他在不同的快门开启时间重复测量，直到到达激光脉冲的末端。利用图像处理软件显示从脉冲开始到结束每个时间增量的激光束轮廓。

下面的图像显示了从激光脉冲开始(图12a)到激光脉冲结束(图12b)一段时间内的测量结果。

图12a:t=0微秒时束腰

图12b:t=微秒时束腰

在激光脉冲开始时，束腰直径不足0.2毫米，到激光脉冲结束时，束腰直径增加到0.4毫米。

在通过实验确定了喷嘴损坏的原因后，Richerzhagen的研究转向了一个新的方向，以从理论上证实他的理论，即通过数学计算。

首先，重要的是要知道折射率与温度的函数关系。鉴于之前对水的折射率作为温度的函数的测量在纳米处不够精确，他决定用一个实验装置来获得准确的数据，以便与这个现象的数值模拟进行比较。

图13:改进的迈克耳逊干涉设置，测量折射率随水温变化的函数

Richerzhagen设计了一个基于迈克尔逊干涉仪的装置，一种用于光学干涉测量的配置。使用分束器，光源被分成两臂。然后每一束光被反射到分光器中，分光器将它们的振幅合并并传送到一个光电二极管。这两束是叠加的，它们显示出两波(两束)相函数的干涉。

产生的波可以是零(半波长)或两倍(1波长)或介于两者之间。分束器的一只手臂与放置在玻璃容器或试管中的镜子相连。通过精确移动反射镜距离，测量光二极管处的干涉信号，计算出折射率。

测量是在受控的实验室环境中进行的。激光源与单色器耦合，单色器的设计是为了确保激光的波长和强度在一个非常紧密的波长谱内，以确保强干涉效应。

镜片和光圈可以矫正由单色仪引起的散光。玻璃容器是隔热的，以便在一分钟的测量过程中水温保持恒定。一个外部电路使水保持加热。

测量周期很长。将玻璃容器中的水加热到特定的温度后，需要等待一个小时，使水温稳定下来。测量过程包括在水中移动镜的特定长度和测量干涉信号。测量水温从20°C到60°C，记录每个温度的折射率。

这些研究结果非常重要，于年发表在《应用物理学》杂志上，并成为《化学和物理手册》的一部分。

图14:折射率与温度的函数

在找到了建立折射率和水温之间关系的最精确的方法后，里歇尔哈根又迈进了一步：他决定证实热散焦的假设，并通过数值模拟再现了热散焦下光束分布的实验测量结果。在这个过程中，他从工程师变成了科学家。

Richerzhagen的方法是基于所谓的有限元分析和光线追踪过程的结合。在简化的形式中，该模拟是基于一束激光通过一个有限元网格，其路径受到不同折射率的影响。

图15:Richerzhagen有限元射线追踪法原理

上面左边的图形显示了在放大的有限元矩阵网格中计算出的光束路径。右边上面的图形显示射线路径的变化在入口处的“A”一个元素(应用斯奈尔定律,在从一个元素传递到轴向邻居元素),中心的元素“B”(波前倾斜由于两个径向邻居元素折射率的差异)。在“C”点的偏差再次像“A”点一样计算。基于上面的数值计算，这些数值计算已经在数学可计算模型(如梯度折射率光纤)中得到验证，下图显示了模拟的光束分布。

Richerzhagen的理论模拟结果与他早期的实际实验结果非常接近，没有任何拟合因素。这些发现意义重大，发表在《应用物理学》()和《光学工程》()杂志上。

测量和理论之间的一致使得Richerzhagen能够对热散焦效应做出可靠的理论预测。最终，这项工作的结果促使了耦合系统的修正，避免了传输损失。而后，他开发了一种不会损坏喷嘴的耦合装置。

图18a:改进型联轴器

图18b：耦合单元

上述改进的耦合单元设计是第一个引导高功率激光束在水射流中烧蚀材料的系统。即使每个脉冲高达两焦耳的高耦合能量也不会损坏喷嘴。总体效率保持在87%。

通过这些工作，里歇尔哈根在年首次证明了水射流引导激光能够烧蚀材料的可行性。

基于上述耦合单元概念，Richerzhagen设计了一种用于牙科应用的水射流导向手动工具。

图19水冷牙科工具示意图

这种新工艺和手件在口腔医学中的首次应用，在许多方面显示出其巨大优越性。首先，用于切除作用的激光能量可大于4厘米。

另一方面，有一个持续的冷却结构与水射流。因此，牙医的手和牙齿之间的工作距离更大，这让他可以在牙齿中制造更深的洞。

牙科激光手工具项目的成功实施为Richerzhagen在年5月完成博士论文奠定了基础。

水射流导向激光的工业化:SYNOVAS.A.

里歇尔哈根的优势是他既是工程师又是科学家。因此，他的许多专利都是基于理论模拟，并得到了实际工作原型的支持。从开发的激光手工具和耦合单元的概念开始，他开始设计一台采用水射流耦合激光概念的加工机器。

他认识到水射流导向激光在材料加工方面的优势:

?无物质损害(无HAZ-热影响区)

?没有毛刺

?非常大的厚度范围

?紧密，平行的切口(25μm)-意味着没有锥度

?高切割速度-低J/mm3

?广泛的材料

年，当里歇尔哈根还在EPFL工作时，他就用德语写了自己的第一个水射流激光技术专利。水射流引导激光专利(称为“stauumfrei”)在年作为欧洲申请(EP)注册。

图20申请专利的耦合单元示意图

年至年，里歇尔哈根在他的第一家公司——位于EPFL科学公园的工程办公室——开发了基于他的发明的第一台机床。

图21:机

里歇尔哈根因其开创性的发明获得了几项瑞士和国际奖项。年5月，他创立了SynovaSA，将他的技术商业化。

年，思诺瓦收到了第一份水射流导向激光机(称为JPS0)的订单。这台机器是年交付的。

后来，由于在某些特定材料(如钻石、铜、陶瓷或蓝宝石)中的吸收更高，以及在水中的吸收更低，意味着水射流中的能量损失更少，Synova从近红外转向绿色波长。然而，基本关系仍然有效，建立一个非常薄的圆盘式水室来控制热效应仍然是今天成功耦合任何激光在液体射流的要素条件。

今天的水喷射激光系统

思诺瓦的团队不断研究、改进、优化和工业化其机器、系统和解决方案。就工业应用而言，思诺瓦的研发和工程团队正在三个领域进行创新:

新一代的机械平台更大、更坚固，同时保持了与小型机器相同的紧公差。例如，5轴XLS激光切割系统有一个0x0xmm的工作空间。

图22:Richerzhagen紧挨LCS（设计用于加工铣刀和涡轮叶片）

为使激光头能加工工件上的孔和槽，对光学头和耦合单元等关键部件进行了小型化。

图23:紧凑型光学头和微型化耦合单元

图24:耦合单元截面

最后，各种复杂的工业4.0传感器和软件使可靠的2D或3d加工成为可能，例如在原始钻石上塑造琢面，从而消除了对抛光宝石的熟练劳动力的需求。未来欧盟资助的一个项目是在LMJ过程中实现人工智能，在加工任意3D形状时进行自动校正。在很多方面，里歇尔哈根的发明已经成为硬和敏感材料精密加工领域的游戏规则改变者。

Richerzhagen已经为一种新的加工技术奠定了基础，该技术正在越来越多地应用于许多工业部门，以加工各种材料，通常是高科技材料，如陶瓷基复合材料或CVD工具，需要高质量的表面光洁度。世界领先的研究机构已经开始开发水射流激光技术的应用。这项技术的发展前景是光明的。

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