為紅外世界“定標”——清華大學團隊用飛秒激光打造新一代面源黑體

在日常生活中，紅外技術正扮演著越來越重要的角色。從家用測溫槍的非接觸測溫、公共空間攝像頭的清晰監控，到氣象衛星的天氣預報、森林防火系統的火災監測，再到軍事領域的導彈追蹤等，都離不開紅外探測技術。但所有紅外設備要實現準確工作，都需要依賴一個“基準”，即黑體（Blackbody）。黑體是對紅外探測系統進行校準定標的關鍵部件，在天文學、光學和紅外熱輻射工程等領域有著重要而廣泛的應用。

紅外探測“尺子”難題：為什么我們需要理想黑體

想象一下，如果沒有統一刻度的尺子，每個人對長度的測量結果將完全不同。紅外世界同樣如此。每個紅外探測器，甚至探測器上的每個微小像素，在制造過程中都存在細微差異，導致它們對紅外光的響應各不相同。這就好比一群人用不同刻度的尺子測量同一物體，結果自然千差萬別。更復雜的是，以探測器為核心的不同紅外成像系統對紅外光的影響也各不相同。因此，當紅外探測器出廠并組裝成完整儀器后，必須進行校準，也稱定標，以確保不同的紅外系統對相同的場景能夠產生一致的響應。

定標過程類似于給一把尺子標定刻度。需要讓紅外系統對一個已知溫度和紅外輻射的表面進行成像，然后將探測器測得的數值與真實數值進行比較，通過數學運算來補償系統自身的誤差。在這個過程中，定標輻射面的選擇至關重要——它必須足夠穩定、均勻，并且其輻射特性要盡可能接近理想狀態。這個理想的輻射基準面就是黑體。理想黑體能吸收所有波長的光，不反射、不透射，其輻射特性只與溫度相關，是自然界中熱輻射的上限。用這樣的黑體作為基準，紅外設備才能將接收到的輻射信號準確轉化為溫度數據或圖像信息。

遺憾的是，自然界中并不存在理想黑體。傳統的技術手段，如超表面技術和噴漆工藝等，雖然能夠在一定程度上接近理想黑體，但都存在發射率不夠高、波段不夠寬、穩定性不夠好等問題。這些限制導致紅外系統的定標效果總是不盡如人意，存在較大誤差，特別是在惡劣環境下的長期穩定性更是令人頭疼的難題。

突破傳統局限：從“涂層思維”到“本體改造”的理念轉變

傳統方法制備黑體，主要依賴于“涂層技術”，即在基材表面噴涂或制備各種吸光材料，如碳納米管涂層、聚合物涂層等。這種方法類似于給物體“刷漆”，雖然簡單易行，但存在根本性缺陷。涂層與基材是兩種不同的材料，它們之間的熱膨脹系數差異會導致涂層在高溫下開裂或脫落。涂層材料本身在長期高溫環境下也可能發生化學變化，導致性能衰減。更重要的是，涂層工藝難以保證大面積的均勻性，這就像粉刷一面墻，很難保證每個地方的漆膜厚度完全一致。

這些局限可能造成嚴重的后果。衛星搭載的紅外遙感設備，可能因使用的涂層型黑體在太空中長期受到輻射和溫度變化影響，發射率逐漸漂移，導致后續傳回的地球紅外數據出現偏差，不得不進行復雜的地面校正；在工業生產中，高溫環境下的紅外測溫設備，常常因為黑體涂層脫落，無法準確監測設備溫度，給安全生產帶來隱患。這些現實困境讓清華大學精密儀器系研究團隊（以下簡稱團隊）深刻意識到：必須找到一種全新的方法，制造出兼具高吸收性、寬波段、高穩定性的面源黑體。

為了解決上述問題，團隊決定轉變思路：與其在材料表面添加涂層，不如直接對基材本身進行改造，讓材料自身成為黑體。這種“本體改造”的思路如果能夠實現，將從根本上解決涂層脫落、變性等問題。要實現這種改造，需要同時解決兩個核心科學問題：如何極大限度地減少表面反射，以及如何極大限度地增強材料的內部吸收。

在光學領域，這是一個經典的“魚與熊掌”難題，因為材料的光學特性存在一個固有矛盾：高吸收的材料往往反射也很強；而低反射的材料吸收能力又往往很弱。這就好比要求一個容器既容易使物體進入，又讓物體進去后不容易出來，傳統方法很難兩者兼顧。

精巧設計：用飛秒激光打造微觀世界的“光陷阱”

團隊的突破源于對飛秒激光與物質相互作用機制的深入理解。飛秒是多久？1飛秒等于1000萬億分之一秒，即10-15秒，這比人類能夠直觀感知的時間尺度要短得多。飛秒激光能夠在極短的時間內將能量精確傳遞給材料，實現“冷加工”效果——材料還來不及將熱量傳導到周圍區域，加工過程就已經完成。

團隊選擇摻雜硅片作為基材，這并非偶然。硅是信息時代的基石材料，廣泛應用于芯片、太陽能電池等領域，其制備工藝成熟，成本相對較低。天然的硅對紅外光的吸收能力有限，反射率較高，顯然不符合黑體的要求。但飛秒激光擁有獨特的“瞬間改造”能力，能在不損傷材料整體結構的前提下，精準作用于材料表面的微小區域，形成復雜的微觀結構。

團隊的核心思路是：用飛秒激光在硅材料表面“雕刻”出一種特殊的“微納層級結構”，同時在材料內部制造納米級缺陷，通過“結構控反射”和“缺陷強吸收”的雙重作用，讓紅外光“進得來，出不去”。基于這些發現，團隊開始精心設計激光加工策略，目標是在宏觀幾何結構和微觀缺陷工程方面同步實現硅表面兩個層次的改造。

第一個層次是表面微納結構設計。團隊在硅表面制造的結構，是一片“微觀捕光森林”——周期性排列的微錐陣列，每個微錐高90微米，間距30微米，表面還均勻覆蓋著直徑約200納米的納米顆粒（見圖1）。

這個結構的巧妙之處在于“層級設計”。首先，納米顆粒就像森林地表的灌木，能有效抑制光線的直接反射。光線照射到納米顆粒上時，大部分的光會由于顆粒的存在直接進入材料內部，少部分的光會向各方向散射，而不是直接反射回去，這就減少了第一波光線的逃逸。其次，周期性的微錐陣列如同高大的樹木，形成了強烈的“陰影效應”。微錐的側壁陡峭，被散射的光線照射到微錐表面后，特定角度內的光會被二次吸收，進一步限制光線的反射角度，讓更多光線被引導到材料內部。

為了讓這片“捕光森林”達到最佳效果，團隊進行了大量的模擬和實驗，并發現納米顆粒的大小至關重要：太大的顆粒會導致散射強度過大，部分光線仍會逃逸；太小的顆粒則難以制造且散射抑制效果有限。最終發現，200納米左右的納米顆粒，能將光線的背向散射截面降至原來的1%左右。同時，微錐的高度和間距也經過了精準計算，確保在3~14微米的超寬紅外波段內都能有效抑制光反射。

制造這樣復雜的微納結構，一個關鍵的挑戰是如何保證大面積加工的均勻性。傳統的激光加工，很容易因為能量不穩定導致部分區域結構過度加工，部分區域又加工不足。而團隊在實驗中偶然發現了一種“能量負反饋調節”現象，完美解決了這個問題。簡單來說就是，飛秒激光與硅材料相互作用時，會形成一種“自我調節”機制：當激光剛開始照射硅表面時，能量密度較高，會快速去除材料，形成初步的凹槽；隨著加工次數增加，凹槽逐漸變深，形成微錐的雛形；當微錐達到目標高度后，激光的能量會被微錐結構本身分散，中心區域的能量密度降低，不再繼續去除材料，而邊緣區域的低能量則會繼續在微錐表面制造納米顆粒。這個過程就像一位技藝精湛的雕刻家，雕刻到一定程度就會自動停止，不會過度雕琢。這種自我調節機制，不僅大幅提高了加工效率，還保證了大面積樣品的均勻性，這對于面源黑體的實際應用至關重要。

第二個層次是納米缺陷誘導的吸收增強。如果說表面結構解決了“光捕獲”的問題，那么缺陷工程要解決的就是“光吸收”問題。光線即使僥幸穿過了表面的“捕光森林”，進入硅材料內部，也會被這些納米缺陷牢牢“抓住”。飛秒激光的超強脈沖不僅能雕刻表面結構，還能在材料內部引發劇烈的溫度變化：在脈沖作用的瞬間，局部溫度會飆升到數萬攝氏度，隨后又在極短時間內冷卻。這種“驟熱驟冷”的過程，會讓硅材料的晶格結構發生變化——部分原子會因為獲得足夠能量，掙脫晶格的束縛，形成空位、間隙原子等納米級缺陷（見圖2）。

這些納米缺陷看似是材料的“瑕疵”，實則是特意設計的“能量中轉站”。硅材料的能帶結構就像一座兩層小樓，電子通常住在下層（價帶），需要吸收一定能量才能跳到上層（導帶）。天然硅的能帶間隙較寬，很多紅外光的能量不足以讓電子跳躍，因此這些紅外光會穿過硅材料，無法被吸收。而納米缺陷會在能帶間隙中形成新的“中間能級”，就像在兩層樓之間搭建了一個跳板，能量較低的紅外光子，也能讓電子先跳到中間能級，再跳到導帶，從而被材料吸收。團隊通過深能級瞬態譜（DLTS）測試發現，經過激光處理后，硅材料表面形成了12種不同的深能級缺陷，這些缺陷廣泛分布在能帶間隙中，能夠覆蓋3~14微米的紅外波段，確保不同波長的紅外光都能被有效吸收。

工藝創新：一步成型，性能表征結果令人振奮

傳統的微納加工往往需要多道工序，包括光刻、刻蝕、薄膜沉積等，過程復雜且成本高昂。而團隊的方法只需要一臺飛秒激光器，通過精確控制激光參數，就能在一次掃描過程中同時實現表面結構制備和缺陷工程引入（見圖3）。團隊通過精確控制激光的離焦量（Defocusing），調節作用在材料表面的能量密度。較高的能量密度用于構建微錐結構，而邊緣較低能量密度的區域則負責生成納米顆粒和引入缺陷。更重要的是，團隊發現的“能量負反饋調節”效應確保了加工過程的自穩定性和一致性。當結構演化到目標形貌后，繼續增加掃描次數不會導致結構的進一步變化，這為實現大面積均勻加工提供了保障。

任何新技術的價值都需要通過嚴格的實驗驗證。團隊對制備的黑體樣品進行了全面的性能表征，結果令人振奮。首先，樣品具備超寬帶高發射率。在3~14微米的寬紅外波段范圍內，樣品的發射率均超過98%。這意味著在絕大多數紅外應用波段，該表面都能夠接近理想黑體的性能。這個帶寬覆蓋了中波紅外（3～5微米）和長波紅外（8~14微米）兩個大氣窗口，對于地面和空間紅外應用都具有重要意義。其次，樣品具備角度不敏感性。在實際應用中，光線往往不是垂直入射的。測試發現，在0~70度的寬入射角范圍內，樣品的吸收性能幾乎保持不變。這一特性對于許多實際應用場景至關重要。再次，樣品具備熱穩定性。團隊將樣品加熱至500攝氏度、700攝氏度甚至900攝氏度，并保持5小時，然后冷卻至室溫測量其發射率光譜。令人驚喜的是，即使經歷如此極端的熱沖擊，樣品的性能也沒有明顯變化。這表明該黑體表面能夠勝任高溫環境下的長期工作。第四，樣品具備機械穩定性。團隊使用不同黏度的3M膠帶對樣品進行反復剝離測試（最多20次循環），結果顯示其發射率變化小于0.2%。這表明表面結構具有優異的機械強度和附著力，不會像傳統涂層那樣容易脫落。最后，樣品具備均勻性和一致性。團隊制備了60毫米×60毫米的大面積樣品，在4個不同位置測量發射率，均勻性偏差優于0.25%。同時制備的多個樣品之間的一致性偏差優于0.15%。這種高均勻性和一致性對于精確校準應用至關重要。

從實驗室到應用場：黑體技術的發展圖景

實驗室的成功只是第一步，讓這項技術真正服務于社會，才是團隊的最終目標。目前，該黑體技術已經在多個領域展現出廣闊的應用前景。

該黑體可為紅外探測設備進行精準校準。無論是醫院的紅外熱成像儀、工廠的高溫測溫儀，還是機場的體溫檢測儀，都需要定期用黑體校準。團隊研發的黑體憑借高穩定性和寬波段特性，能夠讓這些設備的測量精度大幅提升。如今家庭中廣泛使用的紅外測溫槍，若采用該黑體進行校準，溫度測量誤差可從±0.3攝氏度縮小到±0.1攝氏度，更大程度地避免誤判。而對于衛星、無人機等搭載的紅外遙感設備，該黑體更是理想之選。它無需涂層，體積小、重量輕，能夠在太空的極端環境中長期穩定工作，為遙感數據的準確性提供保障。

該黑體可為工業生產提供安全守護。在冶金、化工等高溫工業場景中，設備的溫度監測直接關系到生產安全。傳統的測溫設備常常因為黑體校準不準或穩定性差，導致溫度監測出現偏差。而該黑體能夠在高溫、高粉塵的工業環境中穩定運行，幫助設備精準監測爐膛、管道等關鍵部位的溫度，提前預警異常情況，降低安全事故風險。

該黑體還可作為科研領域的“標準工具”。在天文學、光學、熱輻射工程等科研領域，黑體是不可或缺的實驗工具。例如，天文學家在研究恒星的紅外輻射時，需要用黑體作為標準源來校準觀測設備；在新型紅外探測器的研發過程中，也需要高性能黑體來測試探測器的性能。該黑體憑借其接近理想的光學特性和高穩定性，能夠為這些科研工作提供更可靠的實驗基礎。

團隊在黑體技術領域已取得了重要突破，并將繼續在該領域深耕。在加工效率方面，目前加工一個大面積樣品需要數小時，效率還有提升余地。團隊正在研究并行加工策略，如使用多光束或大面積光束，以進一步提高加工效率。在工作波段方面，目前的產品在3~14微米波段實現了高性能，但在更長的遠紅外波段（如14~30微米）還有優化空間，這需要進一步調控缺陷類型和密度。此外，團隊還將探索在其他半導體材料（如碳化硅、氮化鎵等）上實現類似效果的可能性，以適應不同應用場景的需求。

未來，團隊將積極推進這項黑體技術的產業化進程，與儀器制造商、衛星制造商等合作，將實驗室成果轉化為實際產品，為紅外技術的發展提供更可靠的“尺子”。這把“尺子”將幫助氣象衛星更準確地預測天氣變化、幫助森林防火系統更早地發現火情、幫助工業過程更精確地控制質量——這些技術進步的成果，最終將惠及每個人的生活。

致謝：感謝北京市自然科學基金項目（L241023）、國家重點研發計劃項目（2024YFB4505100）以及國家自然科學基金項目（62425506和62575155）對本工作的資助。感謝吉林大學趙紀紅、劉學青，清華大學深圳國際研究生院周倩、倪凱對本工作的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2026年1月刊。

專家簡介

周鴻帥：清華大學精密儀器系光學工程2022級博士研究生 。

白本鋒：清華大學黨委副書記、副校長，精密儀器系教授。

郝小鵬：清華大學精密測試技術及儀器全國重點實驗室首席研究員。

孫洪波：中國科學院院士，清華大學精密儀器系教授，精密測試技術及儀器全國重點實驗室主任。

文章來源于 悅智網 ，作者 周鴻帥、白本鋒等

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