來自米蘭(lan) 理工大學機械工程係與(yu) 意大利國家天體(ti) 物理研究所（INAF）的聯合研究團隊，在 Nature 旗下知名綜合期刊 Scientific Reports 上發表了題為(wei) Laser surface texturing of glass with high-power picosecond laser for the control of optical properties 的研究論文。

鈉鈣玻璃微光學結構傳(chuan) 統加工難度大，本文采用高功率皮秒激光對其進行表麵織構加工，係統研究工藝參數對玻璃損傷(shang) 、表麵形貌及透光特性的調控規律，實現光擴散與(yu) 衍射元件一步製備，為(wei) 玻璃光學器件工業(ye) 化加工提供依據。

本研究以1064 nm高功率近紅外皮秒激光為(wei) 加工工具，針對鈉鈣玻璃開展係統性表麵織構實驗，探究激光通量、掃描速度、掃描行距、脈衝(chong) 重複頻率對激光-玻璃相互作用、正反麵損傷(shang) 閾值、表麵形貌與(yu) 粗糙度的調控規律，揭示玻璃背麵損傷(shang) 閾值更低、高脈衝(chong) 重複頻率易引發熱累積裂紋缺陷等核心機理；通過調控脈衝(chong) 密度實現兩(liang) 種光學功能表麵的一步製備：高脈衝(chong) 密度、高激光通量下形成均勻粗糙微結構，表現強光漫散射特性，低脈衝(chong) 密度、大掃描行距則生成周期性浮雕結構，產(chan) 生規則衍射光斑，同時建立表麵平均粗糙度與(yu) 可見光區總透射、漫透射、鏡麵透射的關(guan) 聯關(guan) 係，驗證該激光直寫(xie) 工藝可無缺陷批量製備光擴散片與(yu) 衍射光學元件，為(wei) 顯示、光電領域玻璃光學元件高效工業(ye) 化加工提供完整工藝依據與(yu) 理論支撐。

圖 1 包含 (a) 通量與(yu) 正反麵損傷(shang) 尺寸關(guan) 係曲線、(b) 高通量單脈衝(chong) 燒蝕 SEM 圖，子圖 (a) 中藍色代表玻璃正麵、紅色代表背麵，搭配各通量對應的微觀形貌照片，可見低通量區間背麵損傷(shang) 閾值更低、等效光斑尺寸更大，通量持續升高後正麵燒蝕區域尺寸反超背麵，這一差異源於(yu) 激光穿過玻璃產(chan) 生焦點偏移、內(nei) 部幹涉等光學效應；子圖 (b) 展示 130.5 J/cm² 通量下正麵燒蝕形貌，表麵出現多層同心環狀波紋，該結構由熔融玻璃流體(ti) 運動生成，並非經典 LIPSS 條紋；由該圖可得出結論：鈉鈣玻璃背麵更容易產(chan) 生激光損傷(shang) ，低通量加工可優(you) 先實現背麵改性，高通量下正麵消融作用更強，單脈衝(chong) 輻照產(chan) 生的環狀波紋是熔融流體(ti) 效應而非激光幹涉誘導的周期納米結構。

圖1 單脈衝(chong) 輻照正反麵損傷(shang) 尺寸與(yu) 單脈衝(chong) 燒蝕 SEM 形貌

圖 2為(wei) 固定激光通量條件下，不同掃描速度v與(yu) 掃描線間距h組合加工鈉鈣玻璃背麵得到的 SEM 形貌陣列，橫向依次為(wei) 線間距 15 μm、30 μm、50 μm，縱向掃描速度分別為(wei) 1.5 m/s、3 m/s、5 m/s，標尺 70 μm。在掃描速度 1.5 m/s、線間距 15 μm 時，脈衝(chong) 重疊程度極高，表麵形成致密、隨機粗糙的連續紋理；隨著線間距增大、掃描速度提升，脈衝(chong) 重疊度逐步降低，連續粗糙結構轉變為(wei) 離散的橢圓形單脈衝(chong) 凹坑；線間距拉大後凹坑之間空隙增加，形成具有周期性排布的微結構。由圖可得出結論：掃描速度與(yu) 線間距共同調控脈衝(chong) 重疊密度，脈衝(chong) 高密度重疊可生成隨機粗糙表麵以實現光漫射，降低脈衝(chong) 重疊度能夠形成周期性排布凹坑結構，從(cong) 而產(chan) 生衍射效應，通過調整兩(liang) 組參數可實現兩(liang) 種典型微結構的可控製備。

圖2 不同掃描速度與(yu) 線間距下鈉鈣玻璃背麵激光織構 SEM 形貌矩陣圖

圖 3是不同激光通量、掃描速度、線間距參數組合下，加工後鈉鈣玻璃的遠場透射光斑成像陣列，縱向劃分 15.7、23.5、31.3 J/cm² 三檔激光通量，橫向設置 5、10、25、50 μm 四種線間距，每行對應 1 m/s、5 m/s、9 m/s 三組掃描速度；圖像清晰呈現兩(liang) 種光學效果：高線密度、低掃描速度的參數下光斑呈均勻彌散紅光，對應漫散射光學特性；拉大線間距、提高掃描速度後出現分立規則衍射光點，形成二維衍射光柵特征。由該圖可得出結論：通過調控激光通量、掃描速度與(yu) 掃描線間距改變表麵微結構周期與(yu) 粗糙度，能夠在同一塊玻璃上按需製備漫散射光學元件或二維衍射光學元件，脈衝(chong) 密度越高，光漫射效果越顯著，脈衝(chong) 稀疏時則表現出明顯衍射效應。

圖3不同激光工藝參數下玻璃透射衍射與(yu) 漫散射光斑成像圖

本研究係統確立了利用高平均功率（180 W）近紅外皮秒激光進行鈉鈣玻璃表麵微納紋理構築的工業(ye) 工藝窗口。通過對光斑重疊度與(yu) 脈衝(chong) 能量的精準調控，成功克服了高重頻下的熱積累裂紋瓶頸，在單步幹法加工中實現了對玻璃光傳(chuan) 輸行為(wei) （從(cong) 直射、衍射到高效散射）的定控。該成果不僅(jin) 深化了對超快激光與(yu) 透明介質界麵相互作用的物理理解，也為(wei) 未來顯示屏抗眩光處理、LED 均勻照明擴散片以及微光學衍射元件的高通量、低成本工業(ye) 化製造開辟了廣闊的應用前景。

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https://doi.org/10.1038/s41598-026-55762-9