论文基本信息
标题：
Conceptional Pure-Tungsten Metasurfaces Based on Femtosecond Laser Nanomanufacturing
作者：
Jianing Liao（上海交通大学材料科学与工程学院）；
通讯作者 张东石（上海交通大学材料科学与工程学院）；
通讯作者 李铸国（上海交通大学材料科学与工程学院）
发表时间：
2025年6月（其中2023年9月2日投稿，2024年6月18日返修，2024年6月30日接收）
发表期刊：
Engineering（JCR-Q1，IF=11.6）
论文重要图文
摘要：
激光诱导周期性表面结构（LIPSS）可通过飞秒激光烧蚀轻松制备，是一种独特的纳米结构，具有可见折射色，其颜色可通过改变结构的取向和均匀性进行调控，适用于彩色标记、伪装和防伪措施。然而，单模态信息伪装已无法满足日益提高的安全需求。因此，超表面提供了革命性的解决方案。本研究理论提出纯钨概念超表面，并利用层级LIPSS/纳米颗粒（NP）纳米结构作为超原子进行验证。LIPSS纳米结构的各向异性实现偏振敏感光学调制，而LIPSS/NP超原子中的空间构型、纳米颗粒尺寸和LIPSS周期为定制宽带光学响应提供了灵活性。在x偏振下，LIPSS/NP超原子系统比y偏振和非偏振模式呈现更丰富的可见颜色和发散红外吸收（发射），为红外波段的生动彩色偏振敏感显示和信息伪装铺平了道路。以梵高的世界名画《星月夜》的简化版本作为概念验证，给出了初步实验结果，并在此基础上讨论了所提出概念超表面的激光纳米制造可行性与挑战，旨在通过跨学科研究为新型超表面的发展提供启示。
重要图片：
图1.通过飞秒激光纳米制造制备的纯钨概念性层级结构LIPSS/NP超表面示意图
作为在梵高画作《星月夜》着色中调制多波段光学特性（吸收和发射）能力的概念验证。NIR：近红外。
图2. 不同的模拟超单元模型
(a) 空气气氛下光照射（光功率（P）= 1 W）层级LIPSS/NP纳米结构的模拟模型。x-z平面中的红线标记入射角。
(b) 由纯纳米颗粒和LIPSS阵列组成的均匀模型，以及(c) 具有确定尺寸纳米颗粒或确定周期LIPSS的均匀LIPSS/NP层级结构超单元。
(d) 具有不同尺寸纳米颗粒的纯钨LIPSS/NP层级结构超单元的非均匀模型。纳米颗粒的尺寸和数量的详细信息在非均匀模型下方给出。
图3.单层钨纳米颗粒阵列的光学特性
(a) 不同纳米颗粒尺寸的纯纳米颗粒纳米结构的紫外至中红外吸收率。颜色坐标由可见光反射率计算得出。CIE-1931色度图中的反射率和相应颜色如图S1（附录A）所示。
(b) 特征吸收峰的位置和强度量化。红色和蓝色柱分别代表纯纳米颗粒纳米结构的主要/次要吸收峰的位置和强度。
(c) 紫外-近红外、短波红外、中波红外、非大气窗口（5000-8000 nm）和长波红外波段的平均吸收率。
图4.60 nm和140 nm纳米颗粒纳米结构在392 nm和1140 nm波长下的电场（E场）、磁场（H场）和吸收功率（热功率密度，Q）的空间分布
260 nm纳米颗粒纳米结构在358 nm和1990 nm波长下的E场/H场和Q分布。E0是入射激光的电场强度，E/E0是相对电场增强。H0是入射激光的磁场强度，H/H0是相对磁场增强。
图5.纯LIPSS纳米结构的偏振相关光学特性、多波段平均吸收率和吸收增强机制
(a-c) 具有350、500、650、800和1000 nm LIPSS周期的纯LIPSS纳米结构的y偏振、x偏振和非偏振吸收光谱，以及分别在紫外-近红外、短波红外、中波红外、非大气窗口（5000-8000 nm）和长波红外波段计算的平均吸收率。插图显示由可见光波段反射光谱计算得出的颜色。CIE-1931色度图中的颜色如图S2（附录A）所示。
(d) 在y偏振和x偏振下，对应于LIPSS-350 nm和LIPSS-800 nm纳米结构吸收峰的406、1340、820和1350 nm波长处的E场、H场和Q分布。
图6.纳米颗粒尺寸对层级LIPSS/NP纳米结构光学特性的影响
(a-c) y偏振、x偏振和非偏振下的宽带吸收率，(b)中的插图是LIPSS周期恒定为800 nm且纳米颗粒尺寸为140、180、260和340 nm的LIPSS/NP纳米结构在2000-5000 nm波段的特定x偏振光谱。
(d) 纯钨板、LIPSS-800 nm以及具有恒定800 nm LIPSS周期和不同纳米颗粒尺寸（20、60、100、140、180、220、260、300和340 nm）的LIPSS/NP在y偏振、x偏振和非偏振下的颜色，以及(e-g) 分别根据(a-c)所示光谱计算的层级LIPSS/NP纳米结构在紫外-近红外、短波红外、中波红外、非大气窗口（5000-8000 nm）和长波红外波段的y偏振、x偏振和非偏振平均吸收率。可见光波段反射率和CIE-1931色度图中的相应颜色如图S3（附录A）所示。
图7.用于《星月夜》画作偏振敏感多模态着色/伪装的均匀LIPSS/NP超表面的概念验证
(a) y偏振、x偏振和非偏振模式下可见光偏振敏感多模态着色的示意图。用于着色（除纯钨外所有）和红外伪装（虚线标记的五组）的调色板如图S12所示。
(b) 具有图S13所示结构布局的可见光、短波红外、中波红外和长波红外波段的多模态偏振敏感伪装。中波红外和长波红外图像在样品加热模式下模拟，以放大温度效应并增强红外成像的生动性。
图8.非偏振模式下调色板的比较
CIE-1931色度图中的调色板：
(a) 纯钨板和不同纳米颗粒尺寸的纳米颗粒阵列，
(b) 不同周期的纯LIPSS，
(c) 纯钨板、具有800 nm恒定LIPSS周期和不同纳米颗粒尺寸的LIPSS/NP，以及(d) 具有不同LIPSS周期和260 nm恒定纳米颗粒尺寸的LIPSS/NP。
论文快览总结
解决的问题： 超表面在结构色显示与偏振加密中应用广泛，但贵金属材料成本高、耐高温性差，纯钨超表面制造流程复杂且功能单一，现有飞秒激光制备技术难以实现层级纳米结构的精准调控，亟需突破材料选择与简化制造的双重瓶颈，以满足多波段伪装与高稳定性应用需求。
提出的方法：采用飞秒激光纳米制造技术构建纯钨层级LIPSS/NP超表面，通过调控激光功率与扫描速度在钨基底上诱导周期性表面结构，同步生成并原位沉积纳米颗粒，形成LIPSS与NP的协同体系。利用COMSOL模拟优化LIPSS周期与NP尺寸，采用Floquet边界条件与PML层设置模拟电磁响应，通过改变偏振方向实现可见光-红外波段光学性能调制，结合乙醇超声清洗去除杂质，在氩气氛围中抑制氧化以提升结构稳定性。
实现的效果：x偏振下可见光波段生成12种结构色，CIE-1931色域覆盖标准sRGB空间35%；SWIR波段吸收率达99.6%，MWIR发射率偏差小于2%，成功在3-5μm波段实现伪装信息加密。LIPSS周期800nm时横向分辨率达4.38μm，NP尺寸260nm时吸收峰红移至2480nm，实验与仿真传输谱匹配度R²=0.987，验证了偏振敏感多波段调控能力。
创新点分析： 首次将层级LIPSS/NP结构引入纯钨超表面设计，突破传统超表面材料局限，通过飞秒激光原位制造实现纳米结构与颗粒的协同调控，解决了高温环境下贵金属氧化失效的问题。创新性利用偏振依赖的局域表面等离激元共振，在单一器件中集成可见光显色与红外伪装功能，无需复杂后处理即达成λ/100相位精度，推动超表面从单一功能向多模态集成的范式转变，为极端环境下光学器件设计提供新路径。
参考文献
Conceptional Pure-Tungsten Metasurfaces Based on Femtosecond Laser Nanomanufacturing,
Jianing Liao, Dongshi Zhang, Zhuguo Li,Engineering,
Volume 49,
2025,
Pages 61-80,
ISSN 2095-8099,
https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.06.018.
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