在激光微加工领域，超短脉冲的非衍射光束（如贝塞尔光束）因具备传播不变的强度光束结构、自修复特性及抗非线性传播干扰能力等特点，已成为透明材料（尤其是玻璃）内部刻划切割的关键技术。当前工业对玻璃制品的复杂度、微型化及加工质量要求不断提升，现有技术多依赖空间或时间脉冲整形技术去优化刻划效果，而光的另一重要调控维度 ——偏振，对透明材料的切割刻划也非常关键。

近日，Juozas Dudutis等人发表了《Polarization-Dependent Laser-Assisted Cutting of Glass Using a Nondiffractive Beam in the MHz Burst Regime》文章，研究了线偏振与圆偏振在 MHz Burst模式下，对零阶贝塞尔光束刻划钠钙玻璃的改性、微裂纹取向、分离效率及切割质量的影响，填补了 “非衍射光束 + 偏振调控” 在玻璃切割领域的研究空白，为高效、高质量玻璃加工提供了新的技术路径。

实验系统设计与参数

激光器采用的为FemtoLux 30（立陶宛，EKSPLA），中心波长 1030 nm，脉冲宽度≈1 ps，输出为线偏振；MHz Burst模式：单脉冲串包含 10 个子脉冲，子脉冲间隔为20 ns（脉冲串内重复频率50 MHz），脉冲串重复频率为20 kHz。零阶轴棱锥（Thorlabs AX255-C，锥角5°）生成零阶贝塞尔光束，通过4f（f分别为100mm，10mm）系统进行压缩空间范围，光路中通过半波片和1/4波片进行调控激光的偏振态（线偏振方向和圆偏振光）。在空气中测量的非衍射光长度约为1.1mm（在材料由于折射率变化，聚焦长度会增加）,光斑中心直径（FWHM）约为1.0±0.1um，半锥角为22±2°,在不同偏振态情况下光斑中心始终保持旋转对称结构。如图1所示。

图1.（a）实验装置；（b）MHz Burst的时间分布；（c）在空气中测量的轴向和横向的光斑分布图；（d）沿激光传播方向测量的光斑中心直径分布。

主要设计两类实验，结合多维度的表征方法，研究偏振的调控作用。

1）探究偏振对微裂纹取向、长度及改性区域形态的影响。通过光学显微镜（Nikon Eclipse LV100NDA，50× 物镜，NA=0.8）观测微裂纹角度与横向长度；通过扫描电子显微镜（Thermo Fisher Prisma E），分析改性区域精细结构（样品经机械研磨抛光、5% 氢氟酸蚀刻 30 s、10 nm金镀膜处理）。

2）探究偏振对玻璃分离应力及侧壁质量的影响。通过四点弯曲实验（Alluris FMI-B50C1力传感器）来测量玻璃分离应力；通过光学轮廓仪（Sensofar S neox，共聚焦模式）测量侧壁粗糙度。

1. 偏振对微裂纹取向的调控作用

图3. 偏振辅助控制裂纹。（a）不同线偏振角度以及95uJ和177uJ Burst能量下的裂纹光学显微成像图；（b）抛光，蚀刻处理后的SEM图；（c）不同线偏振角度和Burst能量下的裂纹角度和长度。

实验证明偏振调控裂纹高度的依赖Burst能量，具有明显的能量阈值效应。在95uJ Burst能量下，线偏振的方向完全可以控制微裂纹方向，微裂纹沿偏振方向进行排列，且随着偏振角度的旋转裂纹方向呈现线性变化，而圆偏振下微裂纹取向混乱，无明显方向性；在177uJ Burst能量下，偏振调控作用减弱，微裂纹与偏振夹角增大，能量继续增加到540uJ Burst时，偏振完全失去调控作用。实验还测量了单脉冲（无脉冲串）的影响，微裂纹更小且无法通过偏振控制，这是因为MHz Burst的脉冲间隔为（20 ns）远短于玻璃热弛豫时间（≈μs级），实现热积累与缺陷叠加，放大偏振诱导的不对称性；单脉冲因强度过高，易引发旁瓣干扰与非线性效应，破坏偏振调控。

2. 偏振对玻璃分离效率的影响

图4. 偏振对分离效应的影响。（a）和（b）是在Burst 能量为95 uJ，（c）和（d）是在Burst能量为180 uJ，分别测量了不同点间距下偏振方向分别为垂直，水平和圆与分离应力的关系，其中(b)是线偏振与刻划角度对分离应力的影响，（d）垂直和水平偏振下裂纹的光学成像图。

玻璃刻划后通过CO2激光器进行分离，玻璃的分离效率主要取决于分离应力，应力越小，越容易分离，如图4 结果显示：

低能量刻划（95uJ Burst，属于偏振可控范围）

1）线偏振方向平行与刻划方向时，分离应力显著降低在p（pitch,点间距）=4um，应力为15±1MPa，且允许更大的刻划间距（p≤10um时候仍然可以稳定分离）；线偏振方向垂直与刻划方向时，只有在p≤2um的时候才可分离，且应力达到60MPa，容易出些崩边现象。

2）偏振角度的影响，当偏振方向与刻划偏差在-4°~10°范围内，分离应力保持低水平，超出这个范围应力将急剧增大。

3）圆偏振的分离应力介于平行偏振和垂直偏振之间。

高能量刻划（180uJ Burst，属于偏振非可控范围）

p≤3um时，所有偏振态都可以分离，应力大且基本无差异，p≥4um时，线偏振方向与刻划方向平行任然是最优的，p=7um时，分离应力低至7.3±0.1MPa。

3. 偏振对切割质量的影响

图5. 偏振对切割质量的影响。（a）和（c）分别在Burst 能量为95uJ和180uJ下，不同偏振状态和点间距下的侧壁粗糙度，（b）是线偏振角度对侧壁粗糙度的影响。

图6 不同偏振态，Burst能量和点间距下对表面粗糙度Sa的影响。

切割质量主要评估切割侧壁粗糙度Ra/Sa和表面崩边效果，如图5，6结果所示:

低能量刻划（95uJ Burst，属于偏振可控范围）

线偏振平行与刻划方向时，侧壁粗糙度最优，均匀性高（Sa≈Ra），p=5um时Ra=0.35±0.04um；垂直偏振和圆偏振状态的时候侧壁粗造度Ra显著更高，且表面有崩边。

高能量刻划（180uJ Burst，属于偏振非可控范围）

低间距p=1um时，所有偏振状态Ra低（0.11~0.15 um），但Sa高（0.29~0.55um），侧壁均匀性差；高间距p=7um时，平行偏振 / 圆偏振最优 ——Ra<0.7 μm，Sa≈Ra，侧壁均匀，垂直线偏振 Ra 接近 1 μm，质量最差。

总结：

在MHz Burst下，线偏振可精准控制玻璃微裂纹取向，且线偏振方向与刻线平行时具有低分离应力和高质量切割特点。通过简单的偏振调控，即可在保证切割质量的同时提升效率，对消费电子（如手机玻璃盖板）、光学器件（如透镜切割）等领域的微加工技术升级具有重要指导意义。以及未来可以进一步探究GHz脉冲串，脉冲数量，能量分布等对偏振调控的影响，甚至加入空间光调制器实现动态的调节控制。