超表面赋能小型化三维纳米光刻：开启微纳制造新篇章

近日，来自华中科技大学武汉光电国家研究中心的熊伟教授和高辉副教授的团队提出了一种Metasurface-based TPP (M-TPP)方案，首次将超表面引入三维纳米光刻技术，构建了小型化、集成化的TPP系统，实现了高均匀性的多焦点并行加工。该工作以“3D Nanolithography via Holographic Multi-Focus Metalens”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》，文章被选为当期“Editor’s Choice”，并入选“封面文章”。

图1《Laser & Photonics Reviews》期刊封面

基于双光子聚合（TPP）的三维纳米光刻技术具有真正的三维制造能力和超越光学衍射极限的高打印分辨率，广泛应用于超材料、传感器和微型机器人等领域。然而，现有设备体积庞大、光学系统复杂且成本高昂，限制了3D纳米光刻技术在科学研究和工业界中的广泛应用。

作为一种平面光学器件，超表面符合追求紧凑和集成光学系统的发展趋势。同时，超表面展现出对各种光学参数（如相位、振幅、偏振和波长等）的强大调制能力。然而，目前将超表面集成到TPP系统中的研究还相对有限。二者的结合可能具有成本效益和巨大的发展潜力，有望在简化光学设置的同时，实现更丰富、更灵活的打印功能。

如图所示，数值孔径为0.8的全息多焦点超透镜被用来取代传统多焦点TPP系统中的各种光场调制组件，包括分束器、色散补偿系统、扩束系统和物镜。这些传统光学系统所需的光学元件尺寸及其光程长度在横向上约为几厘米，在轴向上约为几十厘米，重量在千克量级。相比之下，超透镜的有效横向口径为1 mm，有效轴向尺寸约1 μm，连同玻璃基板的总重量仅为0.25 g。图2d展示了平面光学器件超透镜与传统物镜的直观对比。

综上所述，熊伟和高辉研究团队提出了一种高集成度、功能强大的M-TPP技术，证明超表面能够为激光精密制造的进一步发展提供崭新的集成化设计平台。相关成果入选中国光学工程学会“光学超构材料优秀成果提名”，如图5所示。基于超表面的强大光场调制能力，未来可以建立超紧凑的多功能3D纳米打印机等复杂的激光精密制造装备，从而推动3D纳米光刻技术在科研和工业领域的广泛应用。

图5“光学超构材料优秀成果提名”证书

武汉光电国家研究中心博士生王星儿为论文第一作者，熊伟教授和高辉教授为该论文通讯作者，研究单位为华中科技大学和湖北光谷实验室。该研究工作得到了国家自然科学基金、光谷实验室创新研究项目、湖北省自然科学基金、青年人才托举工程、中国科学院西部之光项目和武汉市知识创新专项-曙光计划项目的支持。