来自米兰理工大学机械工程系与意大利国家天体物理研究所（INAF）的联合研究团队，在 Nature 旗下知名综合期刊 Scientific Reports 上发表了题为 Laser surface texturing of glass with high-power picosecond laser for the control of optical properties 的研究论文。

钠钙玻璃微光学结构传统加工难度大，本文采用高功率皮秒激光对其进行表面织构加工，系统研究工艺参数对玻璃损伤、表面形貌及透光特性的调控规律，实现光扩散与衍射元件一步制备，为玻璃光学器件工业化加工提供依据。

本研究以1064 nm高功率近红外皮秒激光为加工工具，针对钠钙玻璃开展系统性表面织构实验，探究激光通量、扫描速度、扫描行距、脉冲重复频率对激光-玻璃相互作用、正反面损伤阈值、表面形貌与粗糙度的调控规律，揭示玻璃背面损伤阈值更低、高脉冲重复频率易引发热累积裂纹缺陷等核心机理；通过调控脉冲密度实现两种光学功能表面的一步制备：高脉冲密度、高激光通量下形成均匀粗糙微结构，表现强光漫散射特性，低脉冲密度、大扫描行距则生成周期性浮雕结构，产生规则衍射光斑，同时建立表面平均粗糙度与可见光区总透射、漫透射、镜面透射的关联关系，验证该激光直写工艺可无缺陷批量制备光扩散片与衍射光学元件，为显示、光电领域玻璃光学元件高效工业化加工提供完整工艺依据与理论支撑。

图 1 包含 (a) 通量与正反面损伤尺寸关系曲线、(b) 高通量单脉冲烧蚀 SEM 图，子图 (a) 中蓝色代表玻璃正面、红色代表背面，搭配各通量对应的微观形貌照片，可见低通量区间背面损伤阈值更低、等效光斑尺寸更大，通量持续升高后正面烧蚀区域尺寸反超背面，这一差异源于激光穿过玻璃产生焦点偏移、内部干涉等光学效应；子图 (b) 展示 130.5 J/cm² 通量下正面烧蚀形貌，表面出现多层同心环状波纹，该结构由熔融玻璃流体运动生成，并非经典 LIPSS 条纹；由该图可得出结论：钠钙玻璃背面更容易产生激光损伤，低通量加工可优先实现背面改性，高通量下正面消融作用更强，单脉冲辐照产生的环状波纹是熔融流体效应而非激光干涉诱导的周期纳米结构。

图1 单脉冲辐照正反面损伤尺寸与单脉冲烧蚀 SEM 形貌

图 2为固定激光通量条件下，不同扫描速度v与扫描线间距h组合加工钠钙玻璃背面得到的 SEM 形貌阵列，横向依次为线间距 15 μm、30 μm、50 μm，纵向扫描速度分别为 1.5 m/s、3 m/s、5 m/s，标尺 70 μm。在扫描速度 1.5 m/s、线间距 15 μm 时，脉冲重叠程度极高，表面形成致密、随机粗糙的连续纹理；随着线间距增大、扫描速度提升，脉冲重叠度逐步降低，连续粗糙结构转变为离散的椭圆形单脉冲凹坑；线间距拉大后凹坑之间空隙增加，形成具有周期性排布的微结构。由图可得出结论：扫描速度与线间距共同调控脉冲重叠密度，脉冲高密度重叠可生成随机粗糙表面以实现光漫射，降低脉冲重叠度能够形成周期性排布凹坑结构，从而产生衍射效应，通过调整两组参数可实现两种典型微结构的可控制备。

图2 不同扫描速度与线间距下钠钙玻璃背面激光织构 SEM 形貌矩阵图

图 3是不同激光通量、扫描速度、线间距参数组合下，加工后钠钙玻璃的远场透射光斑成像阵列，纵向划分 15.7、23.5、31.3 J/cm² 三档激光通量，横向设置 5、10、25、50 μm 四种线间距，每行对应 1 m/s、5 m/s、9 m/s 三组扫描速度；图像清晰呈现两种光学效果：高线密度、低扫描速度的参数下光斑呈均匀弥散红光，对应漫散射光学特性；拉大线间距、提高扫描速度后出现分立规则衍射光点，形成二维衍射光栅特征。由该图可得出结论：通过调控激光通量、扫描速度与扫描线间距改变表面微结构周期与粗糙度，能够在同一块玻璃上按需制备漫散射光学元件或二维衍射光学元件，脉冲密度越高，光漫射效果越显著，脉冲稀疏时则表现出明显衍射效应。

图3不同激光工艺参数下玻璃透射衍射与漫散射光斑成像图

本研究系统确立了利用高平均功率（180 W）近红外皮秒激光进行钠钙玻璃表面微纳纹理构筑的工业工艺窗口。通过对光斑重叠度与脉冲能量的精准调控，成功克服了高重频下的热积累裂纹瓶颈，在单步干法加工中实现了对玻璃光传输行为（从直射、衍射到高效散射）的定控。该成果不仅深化了对超快激光与透明介质界面相互作用的物理理解，也为未来显示屏抗眩光处理、LED 均匀照明扩散片以及微光学衍射元件的高通量、低成本工业化制造开辟了广阔的应用前景。

原文链接：

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