在日常生活中，红外技术正扮演着越来越重要的角色。从家用测温枪的非接触测温、公共空间摄像头的清晰监控，到气象卫星的天气预报、森林防火系统的火灾监测，再到军事领域的导弹追踪等，都离不开红外探测技术。但所有红外设备要实现准确工作，都需要依赖一个“基准”，即黑体（Blackbody）。黑体是对红外探测系统进行校准定标的关键部件，在天文学、光学和红外热辐射工程等领域有着重要而广泛的应用。
红外探测“尺子”难题：为什么我们需要理想黑体
想象一下，如果没有统一刻度的尺子，每个人对长度的测量结果将完全不同。红外世界同样如此。每个红外探测器，甚至探测器上的每个微小像素，在制造过程中都存在细微差异，导致它们对红外光的响应各不相同。这就好比一群人用不同刻度的尺子测量同一物体，结果自然千差万别。更复杂的是，以探测器为核心的不同红外成像系统对红外光的影响也各不相同。因此，当红外探测器出厂并组装成完整仪器后，必须进行校准，也称定标，以确保不同的红外系统对相同的场景能够产生一致的响应。
定标过程类似于给一把尺子标定刻度。需要让红外系统对一个已知温度和红外辐射的表面进行成像，然后将探测器测得的数值与真实数值进行比较，通过数学运算来补偿系统自身的误差。在这个过程中，定标辐射面的选择至关重要——它必须足够稳定、均匀，并且其辐射特性要尽可能接近理想状态。这个理想的辐射基准面就是黑体。理想黑体能吸收所有波长的光，不反射、不透射，其辐射特性只与温度相关，是自然界中热辐射的上限。用这样的黑体作为基准，红外设备才能将接收到的辐射信号准确转化为温度数据或图像信息。
遗憾的是，自然界中并不存在理想黑体。传统的技术手段，如超表面技术和喷漆工艺等，虽然能够在一定程度上接近理想黑体，但都存在发射率不够高、波段不够宽、稳定性不够好等问题。这些限制导致红外系统的定标效果总是不尽如人意，存在较大误差，特别是在恶劣环境下的长期稳定性更是令人头疼的难题。
突破传统局限：从“涂层思维”到“本体改造”的理念转变
传统方法制备黑体，主要依赖于“涂层技术”，即在基材表面喷涂或制备各种吸光材料，如碳纳米管涂层、聚合物涂层等。这种方法类似于给物体“刷漆”，虽然简单易行，但存在根本性缺陷。涂层与基材是两种不同的材料，它们之间的热膨胀系数差异会导致涂层在高温下开裂或脱落。涂层材料本身在长期高温环境下也可能发生化学变化，导致性能衰减。更重要的是，涂层工艺难以保证大面积的均匀性，这就像粉刷一面墙，很难保证每个地方的漆膜厚度完全一致。
这些局限可能造成严重的后果。卫星搭载的红外遥感设备，可能因使用的涂层型黑体在太空中长期受到辐射和温度变化影响，发射率逐渐漂移，导致后续传回的地球红外数据出现偏差，不得不进行复杂的地面校正；在工业生产中，高温环境下的红外测温设备，常常因为黑体涂层脱落，无法准确监测设备温度，给安全生产带来隐患。这些现实困境让清华大学精密仪器系研究团队（以下简称团队）深刻意识到：必须找到一种全新的方法，制造出兼具高吸收性、宽波段、高稳定性的面源黑体。
为了解决上述问题，团队决定转变思路：与其在材料表面添加涂层，不如直接对基材本身进行改造，让材料自身成为黑体。这种“本体改造”的思路如果能够实现，将从根本上解决涂层脱落、变性等问题。要实现这种改造，需要同时解决两个核心科学问题：如何极大限度地减少表面反射，以及如何极大限度地增强材料的内部吸收。
在光学领域，这是一个经典的“鱼与熊掌”难题，因为材料的光学特性存在一个固有矛盾：高吸收的材料往往反射也很强；而低反射的材料吸收能力又往往很弱。这就好比要求一个容器既容易使物体进入，又让物体进去后不容易出来，传统方法很难两者兼顾。
精巧设计：用飞秒激光打造微观世界的“光陷阱”
团队的突破源于对飞秒激光与物质相互作用机制的深入理解。飞秒是多久？1飞秒等于1000万亿分之一秒，即10-15秒，这比人类能够直观感知的时间尺度要短得多。飞秒激光能够在极短的时间内将能量精确传递给材料，实现“冷加工”效果——材料还来不及将热量传导到周围区域，加工过程就已经完成。
团队选择掺杂硅片作为基材，这并非偶然。硅是信息时代的基石材料，广泛应用于芯片、太阳能电池等领域，其制备工艺成熟，成本相对较低。天然的硅对红外光的吸收能力有限，反射率较高，显然不符合黑体的要求。但飞秒激光拥有独特的“瞬间改造”能力，能在不损伤材料整体结构的前提下，精准作用于材料表面的微小区域，形成复杂的微观结构。
团队的核心思路是：用飞秒激光在硅材料表面“雕刻”出一种特殊的“微纳层级结构”，同时在材料内部制造纳米级缺陷，通过“结构控反射”和“缺陷强吸收”的双重作用，让红外光“进得来，出不去”。基于这些发现，团队开始精心设计激光加工策略，目标是在宏观几何结构和微观缺陷工程方面同步实现硅表面两个层次的改造。
第一个层次是表面微纳结构设计。团队在硅表面制造的结构，是一片“微观捕光森林”——周期性排列的微锥阵列，每个微锥高90微米，间距30微米，表面还均匀覆盖着直径约200纳米的纳米颗粒（见图1）。
这个结构的巧妙之处在于“层级设计”。首先，纳米颗粒就像森林地表的灌木，能有效抑制光线的直接反射。光线照射到纳米颗粒上时，大部分的光会由于颗粒的存在直接进入材料内部，少部分的光会向各方向散射，而不是直接反射回去，这就减少了第一波光线的逃逸。其次，周期性的微锥阵列如同高大的树木，形成了强烈的“阴影效应”。微锥的侧壁陡峭，被散射的光线照射到微锥表面后，特定角度内的光会被二次吸收，进一步限制光线的反射角度，让更多光线被引导到材料内部。
为了让这片“捕光森林”达到最佳效果，团队进行了大量的模拟和实验，并发现纳米颗粒的大小至关重要：太大的颗粒会导致散射强度过大，部分光线仍会逃逸；太小的颗粒则难以制造且散射抑制效果有限。最终发现，200纳米左右的纳米颗粒，能将光线的背向散射截面降至原来的1%左右。同时，微锥的高度和间距也经过了精准计算，确保在3~14微米的超宽红外波段内都能有效抑制光反射。
制造这样复杂的微纳结构，一个关键的挑战是如何保证大面积加工的均匀性。传统的激光加工，很容易因为能量不稳定导致部分区域结构过度加工，部分区域又加工不足。而团队在实验中偶然发现了一种“能量负反馈调节”现象，完美解决了这个问题。简单来说就是，飞秒激光与硅材料相互作用时，会形成一种“自我调节”机制：当激光刚开始照射硅表面时，能量密度较高，会快速去除材料，形成初步的凹槽；随着加工次数增加，凹槽逐渐变深，形成微锥的雏形；当微锥达到目标高度后，激光的能量会被微锥结构本身分散，中心区域的能量密度降低，不再继续去除材料，而边缘区域的低能量则会继续在微锥表面制造纳米颗粒。这个过程就像一位技艺精湛的雕刻家，雕刻到一定程度就会自动停止，不会过度雕琢。这种自我调节机制，不仅大幅提高了加工效率，还保证了大面积样品的均匀性，这对于面源黑体的实际应用至关重要。
第二个层次是纳米缺陷诱导的吸收增强。如果说表面结构解决了“光捕获”的问题，那么缺陷工程要解决的就是“光吸收”问题。光线即使侥幸穿过了表面的“捕光森林”，进入硅材料内部，也会被这些纳米缺陷牢牢“抓住”。飞秒激光的超强脉冲不仅能雕刻表面结构，还能在材料内部引发剧烈的温度变化：在脉冲作用的瞬间，局部温度会飙升到数万摄氏度，随后又在极短时间内冷却。这种“骤热骤冷”的过程，会让硅材料的晶格结构发生变化——部分原子会因为获得足够能量，挣脱晶格的束缚，形成空位、间隙原子等纳米级缺陷（见图2）。
这些纳米缺陷看似是材料的“瑕疵”，实则是特意设计的“能量中转站”。硅材料的能带结构就像一座两层小楼，电子通常住在下层（价带），需要吸收一定能量才能跳到上层（导带）。天然硅的能带间隙较宽，很多红外光的能量不足以让电子跳跃，因此这些红外光会穿过硅材料，无法被吸收。而纳米缺陷会在能带间隙中形成新的“中间能级”，就像在两层楼之间搭建了一个跳板，能量较低的红外光子，也能让电子先跳到中间能级，再跳到导带，从而被材料吸收。团队通过深能级瞬态谱（DLTS）测试发现，经过激光处理后，硅材料表面形成了12种不同的深能级缺陷，这些缺陷广泛分布在能带间隙中，能够覆盖3~14微米的红外波段，确保不同波长的红外光都能被有效吸收。
工艺创新：一步成型，性能表征结果令人振奋
传统的微纳加工往往需要多道工序，包括光刻、刻蚀、薄膜沉积等，过程复杂且成本高昂。而团队的方法只需要一台飞秒激光器，通过精确控制激光参数，就能在一次扫描过程中同时实现表面结构制备和缺陷工程引入（见图3）。团队通过精确控制激光的离焦量（Defocusing），调节作用在材料表面的能量密度。较高的能量密度用于构建微锥结构，而边缘较低能量密度的区域则负责生成纳米颗粒和引入缺陷。更重要的是，团队发现的“能量负反馈调节”效应确保了加工过程的自稳定性和一致性。当结构演化到目标形貌后，继续增加扫描次数不会导致结构的进一步变化，这为实现大面积均匀加工提供了保障。
任何新技术的价值都需要通过严格的实验验证。团队对制备的黑体样品进行了全面的性能表征，结果令人振奋。首先，样品具备超宽带高发射率。在3~14微米的宽红外波段范围内，样品的发射率均超过98%。这意味着在绝大多数红外应用波段，该表面都能够接近理想黑体的性能。这个带宽覆盖了中波红外（3～5微米）和长波红外（8~14微米）两个大气窗口，对于地面和空间红外应用都具有重要意义。其次，样品具备角度不敏感性。在实际应用中，光线往往不是垂直入射的。测试发现，在0~70度的宽入射角范围内，样品的吸收性能几乎保持不变。这一特性对于许多实际应用场景至关重要。再次，样品具备热稳定性。团队将样品加热至500摄氏度、700摄氏度甚至900摄氏度，并保持5小时，然后冷却至室温测量其发射率光谱。令人惊喜的是，即使经历如此极端的热冲击，样品的性能也没有明显变化。这表明该黑体表面能够胜任高温环境下的长期工作。第四，样品具备机械稳定性。团队使用不同黏度的3M胶带对样品进行反复剥离测试（最多20次循环），结果显示其发射率变化小于0.2%。这表明表面结构具有优异的机械强度和附着力，不会像传统涂层那样容易脱落。最后，样品具备均匀性和一致性。团队制备了60毫米×60毫米的大面积样品，在4个不同位置测量发射率，均匀性偏差优于0.25%。同时制备的多个样品之间的一致性偏差优于0.15%。这种高均匀性和一致性对于精确校准应用至关重要。
从实验室到应用场：黑体技术的发展图景
实验室的成功只是第一步，让这项技术真正服务于社会，才是团队的最终目标。目前，该黑体技术已经在多个领域展现出广阔的应用前景。
该黑体可为红外探测设备进行精准校准。无论是医院的红外热成像仪、工厂的高温测温仪，还是机场的体温检测仪，都需要定期用黑体校准。团队研发的黑体凭借高稳定性和宽波段特性，能够让这些设备的测量精度大幅提升。如今家庭中广泛使用的红外测温枪，若采用该黑体进行校准，温度测量误差可从±0.3摄氏度缩小到±0.1摄氏度，更大程度地避免误判。而对于卫星、无人机等搭载的红外遥感设备，该黑体更是理想之选。它无需涂层，体积小、重量轻，能够在太空的极端环境中长期稳定工作，为遥感数据的准确性提供保障。
该黑体可为工业生产提供安全守护。在冶金、化工等高温工业场景中，设备的温度监测直接关系到生产安全。传统的测温设备常常因为黑体校准不准或稳定性差，导致温度监测出现偏差。而该黑体能够在高温、高粉尘的工业环境中稳定运行，帮助设备精准监测炉膛、管道等关键部位的温度，提前预警异常情况，降低安全事故风险。
该黑体还可作为科研领域的“标准工具”。在天文学、光学、热辐射工程等科研领域，黑体是不可或缺的实验工具。例如，天文学家在研究恒星的红外辐射时，需要用黑体作为标准源来校准观测设备；在新型红外探测器的研发过程中，也需要高性能黑体来测试探测器的性能。该黑体凭借其接近理想的光学特性和高稳定性，能够为这些科研工作提供更可靠的实验基础。
团队在黑体技术领域已取得了重要突破，并将继续在该领域深耕。在加工效率方面，目前加工一个大面积样品需要数小时，效率还有提升余地。团队正在研究并行加工策略，如使用多光束或大面积光束，以进一步提高加工效率。在工作波段方面，目前的产品在3~14微米波段实现了高性能，但在更长的远红外波段（如14~30微米）还有优化空间，这需要进一步调控缺陷类型和密度。此外，团队还将探索在其他半导体材料（如碳化硅、氮化镓等）上实现类似效果的可能性，以适应不同应用场景的需求。
未来，团队将积极推进这项黑体技术的产业化进程，与仪器制造商、卫星制造商等合作，将实验室成果转化为实际产品，为红外技术的发展提供更可靠的“尺子”。这把“尺子”将帮助气象卫星更准确地预测天气变化、帮助森林防火系统更早地发现火情、帮助工业过程更精确地控制质量——这些技术进步的成果，最终将惠及每个人的生活。
致谢：感谢北京市自然科学基金项目（L241023）、国家重点研发计划项目（2024YFB4505100）以及国家自然科学基金项目（62425506和62575155）对本工作的资助。感谢吉林大学赵纪红、刘学青，清华大学深圳国际研究生院周倩、倪凯对本工作的支持。
专家简介
周鸿帅：清华大学精密仪器系光学工程2022级博士研究生。
白本锋：清华大学党委副书记、副校长，精密仪器系教授。
郝小鹏：清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室首席研究员。
孙洪波：中国科学院院士，清华大学精密仪器系教授杭州配资门户，精密测试技术及仪器全国重点实验室主任。
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