黑体辐射的研究历史可以追溯到热力学和量子力学对辐射现象的探索。19世纪末，普朗克提出了量子理论，为黑体辐射的研究奠定了理论基础，并因此获得了1918年诺贝尔物理学奖。随后，众多物理学家和工程师为这一领域的发展做出了卓越贡献，黑体辐射的概念也因此被广泛应用于热力学、光学和材料科学等领域。黑体辐射的理论为设计高效热辐射材料和调控热辐射行为提供了新途径。另一方面，热辐射调控在多种物理系统中具有重要意义，包括从传统热力学、能源工程，到现代光学和纳米技术等领域。热辐射调控技术已在太阳能收集、热伪装、热管理和红外传感等应用中展现出巨大潜力。在能源领域，热辐射调控作为一种新颖的能量管理手段，为提高能源利用效率和开发新型能源技术提供了前景广阔的解决方案。无疑，热辐射调控在下一代能源技术和光学器件中将起到关键作用，推动高效能源系统和先进光学设备的发展。
尽管热辐射调控在诸多领域都备受关注，但其在实际应用中仍面临一些技术挑战。例如，在高温和极端环境下，平面黑体材料（如碳纳米管CNT）易受机械磨损和化学腐蚀的影响，导致其性能下降或失效。此外，传统黑体腔体积庞大，难以与微型化设备集成，限制了其在现代技术中的应用。解决这些问题需要进一步设计高稳定性的微型化黑体结构，以及开发更先进的材料加工技术，以确保热辐射调控在复杂环境中的高效性和可靠性。
针对传统黑体腔体积庞大、难以集成的问题，研究人员首次提出并实验构建了基于超快激光加工的金属黑体微腔结构，实现了在可见光到红外波段的高效辐射特性，并揭示了多尺度表面形貌增强光捕获能力的物理机制。此外，研究人员还进一步展示了利用微腔结构在热辐射调控中实现局部辐射率调节和辐射强度梯度控制的能力。该成果有望解决黑体材料在微型化和极端环境应用中长期面临的挑战，为新型热辐射调控器件以及高效能源系统提供新思路，是黑体辐射理论与应用研究的重要突破。
蜂窝形黑体微腔的设计与制造
本研究提出了一种基于飞秒激光制造的(蜂窝形)六边形微腔设计方法，旨在实现金属表面在从可见光到红外宽波段的局域辐射率(图1A)。通过分层飞秒激光写入技术，成功在金属表面制备了周期性六边形微腔结构，其辐射率εc可通过几何参数（如直径D、周期P和深度z）精确调控(图1 B, D)。与传统宏观腔体不同，该微腔无需额外涂层，其高辐射率主要源于激光诱导的粗糙微结构及氧化层的形成。飞秒激光加工过程中，圆偏振光的使用避免了非对称烧蚀，而分层扫描策略确保了微腔深度与扫描层数之间的线性关系(图1 C)。实验表明，激光诱导的黑色微结构具有显着的表面粗糙度和高辐射率特性，同时氧化层的形成进一步增强了红外光子的吸收。此外，通过调控微腔的几何尺寸和空间分布，可在像素级别独立调节局部辐射率，为金属表面红外信息编码提供了新途径。该方法不仅实现了金属黑体微腔的一步式、无涂层制造，还为高分辨率热成像打印和热红外加密等应用提供了技术基础。
图1. 金属黑体微腔的结构设计和制备。(A) 基于圆偏振激光直写制备的金属黑体微腔示意图。(B) 黑体微腔周期性单元结构。(C) 多层激光加工方法。(D) 黑体微腔的几何尺寸与等效辐射率的理论关系: 可以通过改为直径D或深度z，改变金属表面的辐射率。
金属黑体微腔的像素级局部辐射率
通过实验验证了金属黑体微腔的热红外特性，揭示像素级局部发射率的调控机制。利用飞秒激光在钛片上制备了不同深度z的周期性微腔阵列，并通过长波红外（LWIR）相机测量其辐射温度(图2)。实验表明，微腔深度z的调节可实现红外图像中辐射温度的可调谐性，而可见光图像中无明显差异，实现了红外信息的“加密”。光学特性表征显示(图3)，微腔在红外波段（2-20 µm）的镜面反射率低至10
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，优于商用黑体涂层。大尺度微腔在钛片上表现出优异的半球发射率（在可见光-近红外0.25-2.5 µm波段ε = 0.970，在2.5-20 µm红外波段ε = 0.939），与商用的黑体涂了Ackar Metal Velvet相当，优于石墨烯黑漆。此外，实验证明在多种金属材料（如Ti、Al、Cu、Fe、Ni和W）上制备的微腔均表现出近乎完美的黑体性能，为太阳能热应用（如水净化和热电发电）提供了重要支持。
图2. 钛金属黑体微腔的深度z与等效辐射率关系。(A, C) 可见光图像。(B, D) 热红外图像。(F) 微腔的辐射温度和等效辐射率与深度z的关系。
图3. 钛金属黑体微腔的光学性能。(A) 红外波段的镜面反射率。(B)半球辐射率。
基于深度编码黑体微腔热红外加密图案
基于形貌效应，我们提出了一种基于深度编码黑体微腔的红外（IR）加密策略，调控微腔深度来调节辐射温度，以实现红外加密信息打印和显示。利用双深度微腔设计，成功制作了浙江大学校徽的红外加密图案，展示了深度信息在可见光下隐藏（图4A）而在红外成像中清晰可见的效果（图4B），其中微腔深度的差异导致表面温度的非均匀性，局部辐射效应起关键作用。通过搭建斜角红外成像系统，验证了红外图像的可视角度大于80°（图4C）。此外，双深度微腔设计的QR码在红外成像中也能显示可识别信息（图4 D,E）。我们还探讨了表面温度对红外图像质量的影响，确定QR码的截止温度为46.2°C（图4 F, G），并证明金属微腔在500°C高温环境下具有长期稳定性（图4H）。由于镍基和钴基合金材料可在800°C以上极端环境中稳定工作，所以基于高温金属的黑体微腔在超高温应用中具有巨大潜力。
图4. 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。比例尺为2 mm。
超高灰度和高分辨率热成像打印
除了改变深度z之外，我们还可以通过改变黑体微腔的宽度D调控辐射率，实现了局部发射率（0.1 ~ 0.9）的高动态范围的连续可调。通过制备不同直径的周期性微腔阵列，实现了ΔT = 1.40 ºC的温度分辨率，成功制备了高空间分辨率的红外灰度图像。通过加工星形分辨率靶，我们实验证了基于激光加工的黑体微腔的分辨率(~13 um)远高于商用的红外相机(图5A)；在抛光铝片上，利用六边形周期性微腔成功打印了爱因斯坦的红外灰度图像(图5B)；在粗糙钛片上，采用点刻法打印了蒙娜丽莎的红外灰度图像，展示了准连续的灰度辐射温度分布(图5C)。这些结果表明，黑体微腔技术在不同材料和高地形起伏条件下均具有鲁棒性，为红外信息的数字化打印提供了新策略，为红外器件的集成应用开辟了广阔前景。
黑体腔作为理想辐射源和校准标准在科学研究和工业应用中发挥了重要作用。然而，传统黑体腔因其体积庞大、集成难度高，难以满足现代微型化设备的需求。近年来，随着微纳加工技术的进步，微型化黑体腔的研究取得了显着进展，为热辐射调控、红外成像和能量收集等领域带来了新的机遇。本研究创新性地提出了基于金属的微尺度黑体腔结构，通过超快激光加工技术实现了数千个周期性微孔的精确制备，展现了在宽波段（0.25 μm-20 μm）内优异的光学性能（平均辐射率ε > 0.94）和超低镜面反射率（R < 0.004）。这一突破不仅为微型化黑体腔的设计与制备提供了新思路，也为热红外显示、热伪装和红外加密等应用开辟了新途径。基于超快激光打印的金属的微尺度黑体结构不仅在热辐射调控领域具有重要科学意义，也为极端环境下的数据存储、航空航天和能源勘探等应用提供了潜在解决方案。
本工作由浙江大学作为第一完成单位，浙江大学博士研究生吴重光为论文的第一作者。浙江大学光电学院马云贵教授和机械学院陈远流教授为论文共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省领军型创新创业团队引进计划以及中央高校基本科研业务费等项目资助。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu0608
