飞秒激光逆转黑铜变亮，直接写入微型光学元件

一项发表于《Results in Optics》的研究实现了超快激光表面处理领域的范式逆转：研究团队利用紫外飞秒激光脉冲，成功将原本呈深黑色的氧化铜金属表面恢复为高反射状态，并借此在金属基底上直接“书写”出具备实际功能的微型光学元件。

长期以来，激光表面处理的主流方向是单向的——通过雕刻亚波长波纹、分层锥体或多孔纳米结构，将高反射金属转化为宽带吸光材料。例如近年已有研究将铜表面的吸收率推至99%以上。然而，反向操作——即利用激光对已形成的黑色金属进行局部、可编程的“去黑增亮”处理——此前鲜有探索。该研究由李慕天（Mu-Tian Li）、孙浩、徐微微和高冰蓉等人主导，旨在填补这一空白。

实验以经热碱液（含氢氧化钠与过铵）化学蚀刻的铜箔为起点。处理后的铜箔表面生长出厚度约30纳米、横向尺寸达数十至数百纳米的氧化铜纳米片阵列。这些随机排列且部分重叠的纳米片能有效捕获光线，使铜箔完全失去金属光泽呈现纯黑色。研究团队使用基频1030纳米经倍频模块转换为343纳米的紫外飞秒激光器（脉宽300飞秒，重复频率100千赫兹）对该黑铜表面进行辐照，系统测试了4至40毫瓦平均功率下的表面响应。

扫描电镜结果显示，表面改性呈现明显的功率阈值效应：在低功率（4-12毫瓦）区间，纳米片基本保持完整，仅出现轻微卷曲或局部融合；在率（16-28毫瓦）区间，单层纳米片发生合并，形成厚度约180纳米的致密板状结构，表面明显致密化并留下清晰扫描轨迹；当功率升至32-40毫瓦时，则发生剧烈烧蚀，产生不规则碎屑与重结晶颗粒，破坏了原有纳米结构。

加工线宽在500至1200纳米之间变化，揭示了高斯光束的阈值特性。尽管计算焦斑直径约为0.84微米，但Zui小加工线宽仅约500纳米，小于理论光斑。这是因为仅在光束中心核心区域的能量密度超过改性阈值。值得注意的是，该工艺的水平图案化能力较强，但垂直深度控制受限，氧化层并未被完全去除，处理区域内仍残留纳米级薄层，这被视为当前制造流程的关键限制。

亮度变化的化学机制通过X射线光电子能谱（XPS）得以确认。原始黑铜表面为纯二价氧化铜（CuO），激光辐照后出现明显的价态转变：一价铜（Cu⁺）信号占比达到39.72%，而特征卫星峰强度降至13.98%。物理驱动源于光子能量匹配——343纳米光子携带3.62电子伏特能量，高于CuO键解离能（约3.04电子伏特），单光子吸收即可断裂化学键并驱除氧原子，促使CuO向Cu₂O甚至金属铜还原。能谱分析证实了铜信号上升与氧信号下降，但轨道边缘约28%的残余氧源于还原不完全及环境中的快速再氧化。

光学性能方面，积分球光谱仪测试显示，在350至750纳米可见光波段，黑铜的漫反射率从处理前的约4.2%-4.8%提升至处理后的约7.5%-8.5%，相对增幅约80%。作者强调，该数据反映的是形貌重构与成分改变带来的漫反射响应变化，并未单独量化镜面反射提升或光陷阱减少的程度，也无法直接预测聚焦性能。但在光学显微镜下，激光写入的线条与环形图案确实呈现出肉眼可见的高对比度增亮效果。

为验证器件潜力，研究团队直接在黑铜基底上直写了振幅型反射式菲涅尔波带片。生成的同心圆环几何结构保持良好，仅在边缘因局部重熔存在轻微粗糙度。沿光轴不同平面观察时，图案化表面产生了局域亮斑，定性证明了光的汇聚能力。作者谨慎指出，理想二元振幅波带片的一阶聚焦效率理论上约为10.1%，但受限于相干反射率、非理想振幅对比度、散射及环边界不规则等因素，实际性能会有所衰减，且本研究未报告校准后的效率值。

该成果证实了在吸光金属基底原位写入微型光学元件的可行性。研究团队提出，通过多脉冲阈值优化、惰性气体氛围加工及辅助表面平滑等路径，有望推动集成化平面微光学与激光光学编码技术向高对比度实用器件发展。