一項(xiàng)發(fā)表于《Results in Optics》的研究實(shí)現(xiàn)了超快激光表面處理領(lǐng)域的范式逆轉(zhuǎn)：研究團(tuán)隊(duì)利用紫外飛秒激光脈沖，成功將原本呈深黑色的氧化銅金屬表面恢復(fù)為高反射狀態(tài)，并借此在金屬基底上直接“書寫”出具備實(shí)際功能的微型光學(xué)元件。

長期以來，激光表面處理的主流方向是單向的——通過雕刻亞波長波紋、分層錐體或多孔納米結(jié)構(gòu)，將高反射金屬轉(zhuǎn)化為寬帶吸光材料。例如近年已有研究將銅表面的吸收率推至99%以上。然而，反向操作——即利用激光對已形成的黑色金屬進(jìn)行局部、可編程的“去黑增亮”處理——此前鮮有探索。該研究由李慕天（Mu-Tian Li）、孫浩、徐微微和高冰蓉等人主導(dǎo)，旨在填補(bǔ)這一空白。

實(shí)驗(yàn)以經(jīng)熱堿液（含氫氧化鈉與過銨）化學(xué)蝕刻的銅箔為起點(diǎn)。處理后的銅箔表面生長出厚度約30納米、橫向尺寸達(dá)數(shù)十至數(shù)百納米的氧化銅納米片陣列。這些隨機(jī)排列且部分重疊的納米片能有效捕獲光線，使銅箔完全失去金屬光澤呈現(xiàn)純黑色。研究團(tuán)隊(duì)使用基頻1030納米經(jīng)倍頻模塊轉(zhuǎn)換為343納米的紫外飛秒激光器（脈寬300飛秒，重復(fù)頻率100千赫茲）對該黑銅表面進(jìn)行輻照，系統(tǒng)測試了4至40毫瓦平均功率下的表面響應(yīng)。

掃描電鏡結(jié)果顯示，表面改性呈現(xiàn)明顯的功率閾值效應(yīng)：在低功率（4-12毫瓦）區(qū)間，納米片基本保持完整，僅出現(xiàn)輕微卷曲或局部融合；在率（16-28毫瓦）區(qū)間，單層納米片發(fā)生合并，形成厚度約180納米的致密板狀結(jié)構(gòu)，表面明顯致密化并留下清晰掃描軌跡；當(dāng)功率升至32-40毫瓦時(shí)，則發(fā)生劇烈燒蝕，產(chǎn)生不規(guī)則碎屑與重結(jié)晶顆粒，破壞了原有納米結(jié)構(gòu)。

加工線寬在500至1200納米之間變化，揭示了高斯光束的閾值特性。盡管計(jì)算焦斑直徑約為0.84微米，但Zui小加工線寬僅約500納米，小于理論光斑。這是因?yàn)閮H在光束中心核心區(qū)域的能量密度超過改性閾值。值得注意的是，該工藝的水平圖案化能力較強(qiáng)，但垂直深度控制受限，氧化層并未被完全去除，處理區(qū)域內(nèi)仍殘留納米級薄層，這被視為當(dāng)前制造流程的關(guān)鍵限制。

亮度變化的化學(xué)機(jī)制通過X射線光電子能譜（XPS）得以確認(rèn)。原始黑銅表面為純二價(jià)氧化銅（CuO），激光輻照后出現(xiàn)明顯的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變：一價(jià)銅（Cu?）信號占比達(dá)到39.72%，而特征衛(wèi)星峰強(qiáng)度降至13.98%。物理驅(qū)動源于光子能量匹配——343納米光子攜帶3.62電子伏特能量，高于CuO鍵解離能（約3.04電子伏特），單光子吸收即可斷裂化學(xué)鍵并驅(qū)除氧原子，促使CuO向Cu?O甚至金屬銅還原。能譜分析證實(shí)了銅信號上升與氧信號下降，但軌道邊緣約28%的殘余氧源于還原不完全及環(huán)境中的快速再氧化。

光學(xué)性能方面，積分球光譜儀測試顯示，在350至750納米可見光波段，黑銅的漫反射率從處理前的約4.2%-4.8%提升至處理后的約7.5%-8.5%，相對增幅約80%。作者強(qiáng)調(diào)，該數(shù)據(jù)反映的是形貌重構(gòu)與成分改變帶來的漫反射響應(yīng)變化，并未單獨(dú)量化鏡面反射提升或光陷阱減少的程度，也無法直接預(yù)測聚焦性能。但在光學(xué)顯微鏡下，激光寫入的線條與環(huán)形圖案確實(shí)呈現(xiàn)出肉眼可見的高對比度增亮效果。

為驗(yàn)證器件潛力，研究團(tuán)隊(duì)直接在黑銅基底上直寫了振幅型反射式菲涅爾波帶片。生成的同心圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)保持良好，僅在邊緣因局部重熔存在輕微粗糙度。沿光軸不同平面觀察時(shí)，圖案化表面產(chǎn)生了局域亮斑，定性證明了光的匯聚能力。作者謹(jǐn)慎指出，理想二元振幅波帶片的一階聚焦效率理論上約為10.1%，但受限于相干反射率、非理想振幅對比度、散射及環(huán)邊界不規(guī)則等因素，實(shí)際性能會有所衰減，且本研究未報(bào)告校準(zhǔn)后的效率值。

該成果證實(shí)了在吸光金屬基底原位寫入微型光學(xué)元件的可行性。研究團(tuán)隊(duì)提出，通過多脈沖閾值優(yōu)化、惰性氣體氛圍加工及輔助表面平滑等路徑，有望推動集成化平面微光學(xué)與激光光學(xué)編碼技術(shù)向高對比度實(shí)用器件發(fā)展。