为了改善水导激光制备单晶镍合金微孔的表面形貌，降低微孔锥度，采用控制变量法研究了在单步螺旋打孔方法下，激光单脉冲能量、扫描速度、进给次数和扫描圈数对微孔表面形貌及锥度的影响规律。提出了多步螺旋打孔方法，并在优选加工参数组合下与单步螺旋打孔方法进行了比较。结果表明，增加单脉冲能量和降低扫描速度可以改善微孔表面形貌，减小微孔锥度。随着进给次数的增多，微孔表面形貌逐渐变好，微孔锥度先减小后饱和。随着扫描圈数的增多，微孔表面形貌逐渐变差，微孔锥度先增大后减小。采用多步螺旋打孔方法加工的微孔锥度仅为0.29°，比单步螺旋打孔方法降低了70%，且尺寸偏差和圆度都控制在20 μm以内。

水-光耦合传输效率是实现水导激光可加工性的前提与效率保证。为了研究水导激光中水-光耦合传能规律, 得到较高的水束中激光功率传输效率和均匀的激光功率密度分布, 采用光线追迹原理及物理光学传播方法, 仿真分析了1064nm激光束聚焦后的光束特性及水-光耦合后水束中激光光斑分布形态, 并对不同水束长度下激光功率传输效率, 以及不同功率、压力和水束长度下激光功率密度分布情况进行了系统的实验检测分析。结果表明, 随着水束长度的减小, 1064nm激光在水束中功率传输效率越高, 在水束长度为20mm时, 激光功率传输效率可达63.6%; 激光功率的变化对水束中激光功率密度分布影响最大; 当激光功率不变时, 在水束稳定长度范围内水压的增大有利于水束中激光功率密度均匀化分布, 而耦合水束长度的减小可以提高激光传输效率。研究结果为提高水导激光中能量利用率有一定的指导意义。

为了在水导激光去除不锈钢表面漆层试验中获得能够不损伤基体表面且完全除漆的加工参数，基于材料热物理性参数与温度变化的关系，运用Ansys建立了水导激光对不锈钢基体表面除漆的三维瞬态模型。在仿真加工过程中进行数值模拟研究，得到了加工过程中温度场的分布情况。通过单因素仿真试验找到了激光峰值功率、脉冲宽度和加工速度对温度场分布的影响规律。仿真结果表明，最高温度集中在热源中心，且随着激光峰值功率和脉冲宽度的增大而增大，随着加工速度的增大而减小。根据316 L不锈钢基体最高使用温度及氟碳漆层熔化温度结合仿真温度场分布确定了较优工艺参数，并进行试验，发现仿真预测值与试验结果相近，证明了水导激光对不锈钢基体表面除漆有限元仿真的可行性。

水导激光加工技术中，高质量光束对耦合效率起着关键性的作用。为了解决水-光耦合技术的难题，使水导激光加工技术更好地应用在具有高熔点和高硬脆性的材料的高精密度和低损伤等加工场合，提出自聚焦-球透镜组合聚焦模式和正-负轴棱锥镜组合聚焦模式，并与传统凸透镜聚焦模式进行对比分析。根据三种可适用性聚焦模式，推导相应的ABCD传输矩阵，仿真聚焦模式下的光束特性，并讨论不同聚焦模式下的工业化应用特点。仿真结果表明，正-负轴棱锥镜组合聚焦后的光束束腰半径最小，传统凸透镜聚焦模式聚焦后的光束发散角最小，且三种模式结构不同，都存在各自的优劣性。

水导激光加工是一项利用水光纤将激光引导到材料加工表面的新颖加工技术，具有几乎无微裂纹、热影响区小、无污染、重熔层少、加工精度高和光束平行等优点。为研究不同水导激光加工工艺参数对微观形貌的影响，探索水导激光与物质的相互作用机理。本文采用自主研发的水导激光加工系统对316L不锈钢薄片试件进行切槽和打孔实验；使用Zeiss Vert.A1金相显微镜观察加工试件的二维形貌；使用Leica DVM6超景深显微镜和Bruke Contour Elite I白光干涉仪观察试件的三维微观形貌。实验结果表明：无论是对试件进行切槽还是打孔实验，均会在加工区域产生一定宽度的沉积层，且沉积层的大小不随加工时间和加工次数变化，其宽度约为13.5 μm；通过观察试件加工区域的二维形貌，发现打孔试件的dr和切槽试件的wl也不随加工试件和加工次数变化；通过观察切槽试件加工区域的三维形貌，其截面呈倒梯形。

金属材料的激光加工目前正向着低表面粗糙度、小热影响区及大深径比结构的趋势发展。新近发展了一种基于激光-水射流耦合原理的水导激光加工技术, 本文阐述了水导激光加工技术的基本原理及其相对于传统激光加工方法的优势, 基于激光 -水射流耦合原理构建了一套水导激光加工设备, 对多种金属材料进行了水导激光加工实验。利用超景深显微镜对加工工件表面进行了观测与分析, 发现两种金属材料加工得到的盲孔边缘规则圆滑, 切槽的边缘平直无毛刺, 没有热影响区。实验结果说明对金属材料的水导激光精密加工具有可行性且有重要的应用价值。

水导激光加工技术因加工材料表面热影响小，加工深度能力强等优点展现出优越的加工能力。研究基于水导激光加工机理，提出一种新型水导激光缩流导光方法，分析了缩流机理，并通过激光与缩流层流水柱高效耦合试验与材料加工试验验证其加工方法可行性。试验结果表明，保持气压不变，随着水压的增大，缩流层流水柱的速度、直径及长度不断增大；保持水压不变，随着气压的增大，层流水柱速度逐渐增大，直径和长度逐渐减小。同时，通过调节激光与层流水柱耦合最优传导激光条件下进行加工试验。对比空气中加工结果，水-气缩流传导激光加工技术在热影响区和热堆积上有明显的改善，初步验证新型水-气缩流传导激光加工技术的可行性。

在水导激光加工中, 聚焦激光与微细水束的耦合对准效果是实现水导激光稳定加工的关键。为了提高水导激光的耦合对准精度, 提出了一种新的耦合对准方法, 即采用一种双透镜离轴光学系统, 系统中一透镜进行轴向移动从而调节束腰轴向位置, 另一透镜与喷嘴一起进行径向移动从而调节束腰径向位置。该方法可以有效提高对准装置的分辨率, 从而实现高精度的耦合对准。对该方法进行了理论分析, 并根据理论分析进行了实验装置的设计。实验结果表明该方法将耦合对准装置的径向分辨率提高了5倍, 与预期设计相符。应用该方法成功将激光耦合进入直径100 μm的喷嘴中实现水导激光加工, 该方法也是离轴光学系统的一个创新应用。

与传统激光加工技术相比, 水导激光加工技术有着很多优势。根据水导激光加工的特点, 对半导体单晶Si片建立了水导激光打孔的热力学模型, 基于ANSYS二次开发语言apdl对其进行了加工过程的温度场和应力场的仿真, 并与有着相同激光参数的传统激光打孔进行对比。结果表明, 水导激光加工冷却更快, 由于水的强冷却作用, 水导激光打孔产生的热影响区更小, 用仿真的方法直接证明了水导激光打孔产生的热应力更少。