一、光束模式

1、光束模式分类与特性

• ​​基模（TEM00）​​：能量呈高斯分布，可聚焦至理论最小光斑（直径低至微米级），功率密度高达10⁶-10⁸ W/cm²。在低碳钢切割中，采用TEM00模式可使切割速度比TEM01模式提升10%，表面粗糙度Rz降低10μm，最优条件下粗糙度可达0.8μm（接近镜面效果）。能量集中，适用于半导体晶圆开槽、精密零件打孔等场景，如碳化硅（SiC）晶圆切割中，基模可实现5μm以下崩边，良品率提升至95%以上。
• ​​高阶模（TEMmn）​​：能量分布发散（如TEM01模式呈环形分布），聚焦光斑较大但焦深增加（焦深与光斑直径平方成正比）。在3mm以上厚钢板切割中，高阶模可通过增大热影响区提升熔渣排出效率，切割速度较基模提高20%，但精度会降低（粗糙度Rz增至15-20μm）。实际应用中需根据材料厚度权衡：薄板（<3mm）优先基模，厚板（>5mm）可选用高阶模。多用于特殊加工需求，如表面纹理处理。

2、光束模式对加工的影响

• ​​切割质量​​：基模光束能量集中，可减少热影响区（HAZ），提升切割边缘锐度。
• ​​焊接深度​​：高阶模通过调整能量分布，可优化熔深与熔宽比，其中TEM00模式焊缝熔深最大。
• ​​表面粗糙度​​：多模光束通过能量分散降低热累积，减少材料表面微裂纹。
• ​​优化策略​​：根据材料厚度与加工需求选择模式。例如，碳钢厚板切割推荐多模光束以平衡效率与稳定性，建议采用TEM01*模式提升切割速度。

二、偏振方向

1、偏振类型

• ​​线偏振（P偏振）​​：能量沿固定方向振动，适用于常规切割，但侧壁吸收率低易导致V型切口。在各向异性材料（如碳纤维复合材料）加工中，沿偏振方向的切割边缘垂直度比垂直方向高20%，但易产生"条纹效应"。例如在玻璃切割中，线偏振会导致切割面出现周期性波纹（周期约1-2μm），需通过调整扫描路径补偿。
• ​​圆偏振（C偏振）​​：能量均匀分布，减少反射损耗，适合不锈钢等高反材料加工。最新研究表明，圆偏振能减少激光与材料相互作用中的非线性克尔效应，在玻璃加工中使激光 filamentation（丝状损伤）效应降低40%，热影响区（HAZ）宽度缩减至5μm以下。
• ​​径向偏振（R偏振）​​：能量呈环形分布，增强纵向电场，提升吸收率（有实验显示R偏振切割效率比P偏振高1.5-2倍）。在打孔加工中可实现孔径圆度误差≤0.5μm，比线偏振提升3倍一致性。

2、偏振方向对加工效果的调控

• ​​切割效率​​：径向偏振通过共振吸收机制提升金属切割效率，R偏振在不锈钢切割中实现更优的深宽比。
• ​​热影响抑制​​：圆偏振通过均匀能量分布减少热传导，适用于薄板精密加工，圆偏振可降低HAZ达40%。
• ​​表面功能化​​：矢量光场（如螺旋相位光束）通过偏振调制实现表面微纳结构制备。

三、参数协同优化

1、光束模式与偏振的匹配原则

• ​​高功率切割​​：基模+径向偏振组合，兼顾能量集中度与吸收效率。
• ​​微纳加工​​：多模叠加+矢量偏振，实现复杂结构制备。
• ​​表面处理​​：圆偏振+低阶模，平衡粗糙度与加工速度。

2、典型行业配置方案

半导体晶圆切割（SiC/蓝宝石）

• 光束模式：TEM00（M²<1.3），聚焦光斑直径8-10μm
• 偏振方向：圆偏振（通过λ/4波片转换）
• 效果：切割道宽度<30μm，崩边≤5μm，良品率从传统机械切割的72%提升至95%。

厚钢板切割（低碳钢，厚度10mm）

• 光束模式：TEM01（M²=1.8），焦深400μm
• 偏振方向：线偏振（与切割方向夹角45°）
• 效果：切割速度1.2m/min，热影响区宽度<50μm，表面粗糙度Rz=18μm。

微流控器件加工（PMMA材料）

• 光束模式：TEM00，功率密度0.15W/(mm²·mm/s)
• 偏振方向：径向偏振
• 效果：微通道深度0.197mm，宽度0.256mm，截面呈"U-V"过渡型，满足生物流体低阻力传输需求。