浙江大学马云贵&陈远流Science子刊：超薄金属黑体微腔—新型红外图案打印技术

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传统黑体腔由于体积庞大，难以与现有设备实现高效集成，这极大地限制了其实际应用。为解决这一问题，我们提出了基于超快激光打印技术的金属黑体微腔概念。该结构通过在金属表面制备数千个微米级周期性孔隙，实现了在可见光与红外（IR）波段内优异的发射性能（在0.25 μm至20 μm波长范围内的平均发射率超过0.94）。我们将黑体微腔应用于热红外显示领域（如热幻觉、红外加密和灰度热成像等），结果表明，基于黑体微腔的图案化设计不仅能够实现局部发射率的精确调控和可调谐的辐射强度梯度，还展现出优异的广角适应性与耐高温特性。此外，这种黑体微腔结构具有广泛的材料兼容性，可适用于多种金属材料，在极端环境下展现出巨大的应用潜力。

文章亮点

1.超薄金属黑体微腔设计

• 结构设计：基于几何光学的理论，提出了一种由数千个周期性微孔组成的金属黑体微腔结构，其厚度仅为100μm左右，实现了超薄化设计。

• 金属材料的兼容性：这种微腔结构适用于多种金属材料，可直接集成于现在的装备表面。

• 高温可靠性：基于纯金属材料的微腔结构具有极高的耐温性和可靠性，可在300°C以上的极端环境中稳定工作，有利于航空航天、能源勘探等方面的应用。

2.分层超快激光加工技术

• 像数级高分辨率局均辐射率控制：利用超快激光分层写入技术，实现了金属黑体微腔的三维精密制造，能够在每个像素中独立调控局部辐射率，从而实现辐射温度的空间控制。

• 尺寸极限：最小横向尺寸可达13 μm, 最大加工面积超过40 mm

3. 寛带高吸收率的光学性能

• 吸收率/辐射率:在宽波段范围内（0.25至20 μm），微腔表现出优异的半球辐射率（ε > 0.94）和极低的镜面反射率（入射角大于70°时，R < 0.004）。这种高效的光学性能使其在热辐射应用中具有重要价值。

4.热红外显示应用的突破

• 热红外加密图像: 通过编程调节微腔的深度，实现了局部辐射率编码加密的红外图像。

• 灰度连续变化的局均辐射率：通过编程调节微腔的寛度，激光打印出高空间分辨率的灰度红外图像。

图文解析

图1. 金属黑体微腔的概念。传统的金属黑体 (A)球形腔和(B)圆柱形腔。(C) 圆柱形黑体腔等效发射率εc与ε1和z/D关系。(D) 圆偏振激光直写制备的金属黑体微腔示意图。插图为钛金属黑体微腔的SEM图。

图2. 黑体微腔的设计与制备。(A) 像素级金属黑体微腔设计。(B-C) 分层激光加工制备。(D, E) 不同深度z钛金属黑体微腔的红外图像及其可见光图。比例尺为1 mm。(F) 黑体微腔的辐射温度与深度z的关系。(G) 微腔与传统圆柱形腔）的腔体发射率εc的比较。(H-J) 光学性能测试结果。

图3. 深度编码的热红外加密。(A, B) 浙江大学校标的设计图、可见光图和热红外加密图像，及(C)不同观察角度红外图像。(D, E) 二维码的红外加密图像，及(F)不同加热温度下二维码的热红外图像。 (G) 表面温度对红外图像PSNR的影响。(H) 二维码热红外图像的耐高温性测试。(I) 多级温度可调性的热红外图像。(J, K) 具有5级灰度”杭州西湖”的设计图、可见光图和热红外加密图像.所有比例尺为2 mm。

图4. 灰度局部发射率工程。(A) 不同直径D的微腔的热红外图像。(B, C) 红外辐射温度T及占空比D/P的关系。(D-F) 渐变辐射率圆形图案的有限元仿真、可见光图像及热红外图像。 (G) 渐变辐射率圆形图案的辐射温度和仿真的表面温度的径向分布。比例尺为2 mm。

图5. 金属表面的高分辨率热图像打印。

总结与展望

本研究报道了由金属上数千个周期性微孔组成的金属黑体微腔表面结构，其最小厚度尺寸仅为工作波长的四倍。这种超薄黑体微腔适用于各种金属，在0.25至20 μm的宽带波长范围内表现出优异的半球发射率（ε > 0.94）和超低镜面反射率（在入射角大于70°时，R < 0.004）。我们利用高自由度的分层超快激光写入技术，可以制造出能够在每个像素中单独指定局部发射率的微腔，从而在空间上任意调控辐射温度或辐射率，打印了高空间分辨率的灰度红外图像。

我们的金属黑体微腔由于对称性的关系仅限于在单一维度（即强度）上调制热红外辐射。然而，先进的热光子学通常通过材料或几何结构中的对称性破缺来实现对角、光谱和偏振特性的扩展操控。在进一步的研究中，我们计划开发不对称微结构，以探索更复杂的功能和有趣的物理现象。

文献信息

Chong-Kuong Ng, Tianle Chen, Bing-Feng Ju, Yuan-Liu Chen* and Yungui Ma*, Pixel-level Metal Blackbody Microcavities via Hierarchical Laser Writing, Sci. Adv.11, eadu0608(2025). DOI:10.1126/sciadv.adu0608