作者

邱佩，李峻（共一作者），袁丹丹，辛紫璇，黄佳旭，徐少林*

机构

南方科技大学

Citation

Qiu P, Li J, Yuan D D, Xin Z X, Huang J X, Xu S L. 2025. Adaptive beam-shaping enabled high-precision patterned laser micro-grooving. Int. J. Extrem. Manuf. 7 065002.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adec26

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

复杂截面微槽在航空航天、生物医疗等领域具有重要应用，但其精密加工（尤其针对难加工材料）仍面临巨大挑战。近期，南方科技大学的徐少林课题组，提出自适应光束整形方法，成功实现了三角形、梯形及函数化曲面微沟槽（沟槽宽度约10 μm）的高精度激光加工，并在SCI期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为“Adaptive beam-shaping enabled high-precision patterned laser micro-grooving”的文章。南方科技大学邱佩和李峻为共同第一作者，徐少林副教授为唯一通讯作者。

2. 图文解析

激光单次扫描烧蚀得到的微槽结构受限于光斑高斯能量分布的限制，通常只能加工出V形和U形槽；改变了光斑形状的图案化激光烧蚀技术则可大大提高激光制备微沟槽形状的多样性，但离焦平面衍射导致的能量分布变化及材料对偏振态激光的吸收差异，使得图案化光斑烧蚀微槽轮廓与光斑形状的关联性难以精确控制，制约了特定截面结构的可控制备。

研究团队提出一种自适应光束整形方法（如图1所示），通过建立结合“光束传输衍射”与“偏振相关能量吸收率”的激光烧蚀轮廓演化模型，精准预测微槽形貌并用于指导光斑形状迭代优化。在仿真模型中，根据仿真轮廓与目标轮廓的差异动态调整光束形状，经动态微调后的光斑，可在加工宽度为10 μm的微槽时，保证其轮廓均方根误差低至0.5 μm（如图2和图3所示）。自适应光束整形结合激光直写技术，成功实现了三角形、梯形及函数化曲面微结构的高精度加工（如图3所示）。该技术为难加工材料的微槽加工提供了新策略，同时为高精度微结构在工业领域的应用开辟了创新路径。

图1  基于精确演化模型的自适应光束整形技术流程图。

图2  自适应光束整形技术对结构轮廓精度的提升效果。（a）和（c）分别为浅槽/深槽的SEM横截面图，插图展示了初始（上）与优化后（下）的激光光斑形态。（b）和（d）对应浅槽/深槽的轮廓分析，包含截面轮廓（上）与偏差分布（下）。黑色曲线对应（a）（c）中初始激光光斑的加工结果，红色曲线则展示采用（a）（c）优化光斑后的效果。两者均与目标轮廓（蓝色曲线）进行对比，表明优化后加工精度得到显著提升。

图3  控形能力验证和不同横截面轮廓的偏差分析。（a）三角形（b）梯形（c）半圆形（d）U 形。从左至右分别为：微沟槽的SEM图像（插图为优化后的激光光斑插图）、实验轮廓与目标轮廓的对比、以及轮廓偏差的统计分析。

3. 总结与展望

该方法已经在单晶碳化硅材料上得到了验证，未来团队将继续探究该方法的材料适用性，例如金刚石、蓝宝石、陶瓷等材料的加工有效性；并针对整形激光烧蚀沟槽的深宽极限、形状极限展开研究，尤其是探究该方法加工垂直侧壁微沟槽结构的可能性，以满足更广泛的激光制造需求。

4. 作者简介

徐少林

南方科技大学

徐少林，日本东北大学工学博士，现任南方科技大学长聘副教授/超快激光微纳制造团队负责人，主要从事超快激光精密/微纳加工技术及装备研究。首次提出激光诱导周期性纳米结构自对准制造、逐像素偏振调制图案化激光光刻等技术，实现了大面积纳米结构图案化高效制造；开发了自适应整形激光烧蚀和整形激光改性辅助蚀刻等技术，应用于高性能结构化元器件制造（TGV玻璃基板、光纤阵列FA、全玻璃超构透镜、半导体/玻璃晶圆高质量表切、隐切及轮廓切割等），与企业共建“激光精密制造与芯片先进封装”校企联合实验室。近年来以通讯作者身份发表高水平学术论文40余篇，包含International Journal of Machine Tools and Manufacture（3），International Journal of Extreme Manufacturing（2），Nature Communications，Optica，Laser & Photonics Reviews（2），Nano Letters，Advanced Functional Materials（3），Opto-Electronic Advances等领域内的顶级期刊，主持国家省市级及企业横向项目15项。

徐少林老师课题组主页：

 https://faculty.sustech.edu.cn/xusl/