近期，Laser & Photoniccs Reviews 报道了南开大学刘洪亮副教授团队的研究新进展，相关工作“Construction of Robust Physical Colors on Lithium Tantalate Crystals with Embedded Gold Nanoparticles and Laser Direct Writing”(Laser & Photonics Reviews 2025, e00415.) 展示了一种顺利获得金离子注入与陆续在波激光直写相结合的方法，在钽酸锂晶体表面成功构建了稳定且丰富多彩的物理色彩。顺利获得调整激光加工参数，可以实现对金纳米颗粒形态的调控，从而实现对色彩的精确调控。该方法不仅具有较高的加工效率和可扩展性，还具有良好的稳定性和鲁棒性。

该工作利用瓦力棋牌瓦力光学JCOPTIX给予的聚焦物镜搭建飞秒激光直写系统进行加工，顺利获得共聚焦拉曼显微镜，高分辨率透射电子显微镜和模拟计算探究了植入的金纳米粒子，特别是其局部表面等离子体共振，对传统光和纳米粒子与晶体相互作用的影响，研究了金纳米颗粒的形貌对修饰区表面颜色的影响，揭示了金纳米颗粒形态与色彩之间的关系。

近年来，随着纳米技术的快速开展，人工物理色彩的构建逐渐成为研究热点，有助于着无色素彩色印刷技术的开展。物理色彩主要来源于光的散射、吸收、衍射或干涉等物理过程，与传统的颜料色彩相比，具有环保、耐久性强等优点。激光直写技术作为一种非接触式、无需掩模的加工方法，因其高分辨率和高效率而备受关注。然而，现有物理色彩构建的研究多集中于超快激光加工，加工成本高，且可加工的材料范围有限。透明介质晶体表面构造物理颜色在防伪、加密、彩色条码技术等领域有着广泛的应用。然而，其表面稳定着色具有相当大的挑战。本研究聚焦于透明介质晶体，结合离子注入和陆续在波激光直写技术，探索了一种新型的表面色彩稳定构建方法。

离子注入技术能够制造嵌有金属纳米粒子的电介质晶体。这种成熟的非平衡过程，被认为是纳米制造领域最有前景的技术之一。该技术是一种将掺杂原子引入固体材料的材料改性方法。其本质是在真空系统中将掺杂原子的离子加速到高速，随后这些离子轰击固体材料，在目标区域形成具有独特性能的表面层（即注入层）。

钽酸锂晶体作为一种重要的透明介质材料，具有较大的非线性光学系数、光折变损伤阈值高以及铁电特性等优点。顺利获得离子注入技术在钽酸锂晶体中引入金属纳米颗粒，可以显著改变其光学性质。本研究顺利获得在钽酸锂晶体中嵌入金纳米颗粒，并利用波长为532nm的陆续在波激光照射，利用金纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应，实现了丰富多彩且持久的表面颜色效果，拓展了激光直写技术在透明介质晶体表面色彩构建中的应用，还为防伪，信息加密以及艺术设计等领域给予了新的技术途径。

为了实现透明介质晶体表面色彩构建，研究人员顺利获得离子注入技术在钽酸锂晶体表层植入金离子，在晶体表面形成具有特殊光学性质的改性层。随后利用532 nm陆续在波激光聚焦照射该区域，顺利获得金纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应（LSPR）激发特定波长的光散射与吸收，从而在晶体表面产生结构色。顺利获得共聚焦拉曼光谱系统和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）与仿真计算探究着色机理，并且利用振镜加工系统完成了复杂图案的加工。

离子注入示意图和顺利获得SRIM计算得出的Au离子分布如图1所示。研究顺利获得离子注入技术，在钽酸锂晶体表面形成一层具有独特性质的金离子植入层。利用SRIM软件模拟了金离子在晶体中的分布，结果显示金离子主要分布在距表面20-100 nm的深度范围内。

图1. a)： 离子注入示意图； 1b)： SRIM计算得出的Au离子分布。

使用波长为532 nm的陆续在波激光源，顺利获得显微物镜聚焦在金离子注入的钽酸锂晶体表面。顺利获得改变激光能量和扫描周期，构建了颜色丰富多样的彩色矩形调色板，如图2所示。研究结果表明，颜色的变化与激光能量和扫描周期密切相关。在一定范围内，提高激光能量可以加速色彩的形成，并提高加工效率。此外，顺利获得调整扫描周期，可以实现对色彩的微调。在相同能量下进行多次扫描，颜色不会因扫描次数的增加而改变，表明该方法具有一定的鲁棒性。并且在激光能量相差较大的情况下，高能量会覆盖低能量产生的颜色。顺利获得这种方法展示了 构建的物理颜色的可扩展性，可调节性和可覆盖性。

图2. a)陆续在波激光器与飞秒激光器在含金纳米颗粒样品表面直接写入工艺。b)不同激光处理能量(W)和处理间隔(P)下金纳米颗粒组装区域的反显微图像，c)透射显微图像。d-f)同加工参数覆盖处理、不同间隔P覆盖处理及不同能量W覆盖处理对应的反射显微图像对比。

物理着色机理分析

为探究着色机理，本研究利用共聚焦拉曼光谱系统对激光加工区域进行了分析，结果如图3所示。离子注入后的晶体拉曼光谱强度显著降低，而经过激光加工的区域拉曼光谱强度有所恢复。这表明激光加工可以部分修复离子注入引起的晶体结构损伤。在离子注入工艺前，样品保持纯晶格结构，未出现明显晶格损伤或形变。在离子注入过程中，离子与材料的相互作用以及形成的金属纳米颗粒，会对晶格结构造成广泛的破坏和形变。在采用较低能量进行激光处理后，晶格损伤会部分恢复，因为持续的激光辐照产生的局部热效应促进了晶格原子的重新排列。与此同时，金纳米颗粒会进一步聚集。随着所施加的激光能量的继续增加，样品内部会形成更大的金纳米颗粒。金纳米颗粒的聚集会导致其形态发生变化，从而形成形状不规则的金纳米颗粒。这种嵌入的不规则大尺寸金属纳米颗粒可引起较强的晶格损伤，随着激光能量的持续增加，周围晶格结构的压缩效应会越来越强，使大尺寸纳米颗粒向表面移动并沉淀，从而使晶格达到更大的恢复值。峰强度的变化反映了激光直接写入对晶格的退火修复效应和金纳米粒子对晶格的挤压效应的复杂相互作用过程。此外，拉曼光谱的强度与激光加工区域的颜色存在一定的相关性。本研究顺利获得共聚焦拉曼显微镜探究了植入的金纳米粒子，特别是其局部表面等离子体共振，对传统光与纳米粒子和晶体相互作用的影响。

图3. a)钽酸锂晶体体材料、Au离子注入表面及不同能量激光处理区域的拉曼光谱。

本研究采用HRTEM和模拟计算的方法研究了金纳米颗粒的形貌对修饰区表面颜色的影响。顺利获得对激光加工区域进行HRTEM分析，观察到金纳米颗粒的形态和尺寸对色彩的形成具有重要影响。实验发现，金纳米颗粒在不同颜色区域的形态和尺寸存在差异，特别是大颗粒金纳米颗粒的尺寸形状对色彩的影响更为显著。顺利获得时域有限差分（FDTD）方法对金纳米颗粒的反射光谱进行模拟计算，进一步揭示了金纳米颗粒形态与色彩之间的关系。

着色效果展示

基于以上探究，研究人员利用激光直写技术在钽酸锂晶体表面加工了多种图案，包括南开大学校徽和卡通蝴蝶等，如图4所示。实验结果表明，由于纳米颗粒在晶体表层下稳定存在，因此这些图案具有良好的稳定性，耐摩擦，防潮，耐腐蚀。即使在水中或酒精中擦拭多次，颜色依然保持不变。此外，经过六个月的长期保存，图案的颜色未发生明显变化。

图4 a，b)不同能量陆续在波激光制作南开大学校徽和蝴蝶图案的显微图像；c)图4a所示图案放置半年后，并且经过酒精棉签反复擦拭后的显微图像。

这项工作将金离子注入与激光直写技术相结合，在钽酸锂晶体表面成功构建了稳定持久且丰富多彩的物理色彩和复杂图案。激光加工参数的调整，能够实现对金纳米颗粒形态的调控，导致局域表面等离子共振峰（LSPR）的位移，从而实现对色彩的精确调控。激光和金纳米颗粒与晶体晶格之间的相互作用，实现了钽酸锂晶体表面稳定且永久性的局部改性。顺利获得共聚焦拉曼光谱与高分辨透射电镜分析证实，嵌入式金纳米颗粒能够改变光与物质相互作用的基本机制，从而显著影响表面显色特性。该方法不仅具有较高的加工效率和可扩展性，还具有良好的稳定性和鲁棒性。这项开创性的研究工作不仅增强了对晶体材料表面着色的科研理解，而且将为防伪、数据存储和艺术表达等方面的应用开辟新的途径，显著推进功能材料表面工程领域的开展。

南开大学电子信息与光学工程学院2023级硕士研究生于梦涵为本文第一作者，刘洪亮副教授为本文通讯作者。山东大学博士研究生陈志翔、HZDR离子束中心Ulrich Kentsch和周生强老师，以及山东大学贾曰辰老师对本文有重要贡献。本文研究工作取得国家自然科研基金项目、流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金支持，感谢HZDR离子束中心（IBC）支持完成离子注入实验，感谢山东大学给予核心设施共享平台。

作者特别感谢南京瓦力棋牌瓦力光学科技有限公司（JCOPTIX）给予的光学元件与仪器支持。