双光子吸收（TPA）是一种广泛应用于三维成像和纳米制造领域的非线性光学现象。传统的TPA技术依赖于高光强的聚焦激光束来激发材料中的分子，从而实现超越衍射极限的三维纳米加工。然而，这种方法存在一系列关键挑战：一方面，高光强不仅会引发不必要的高阶非线性光学效应，导致光漂白和微爆炸等问题；另一方面，双光子吸收仅发生在激光焦点的微小区域内，这使得加工效率低下，难以实现大面积、高精度的纳米制造，显著限制了加工效率和分辨率的提升。为了解决这一难题，研究团队提出了一种全新的“少光子双光子吸收”（fpTPA）技术，通过极低光子通量的飞秒激光脉冲实现高精度制造。
图1 双光子吸收的时间相关量子机制原理图
图2 少光子辐照下有效双光子吸收的时空概率分布图
为了验证少光子激发下的双光子吸收（fpTPA）概念，研究团队开发了一种基于数字光学投影纳米光刻技术（TPDOPL）的实验系统。该系统利用数字微镜器件（DMD）作为数字掩模，能够灵活地生成任意图案，并通过飞秒激光脉冲将其投影到光刻胶上。通过精确控制光子通量和脉冲累积次数，研究团队成功实现了26纳米（1/20波长）的最小特征尺寸，这一尺寸远低于传统光刻技术的分辨率极限。与传统的逐点激光直写技术相比，TPDOPL技术的吞吐量提高了几个数量级，能够在短时间内实现大面积的纳米结构制造。
图3 双光子数字光学投影打印系统示意图及模拟与实验加工结果
此外，研究团队还提出了一种原位多次曝光技术（iDME），通过在DMD上加载多个图案并进行交替曝光，能够在不违反光学衍射极限的情况下实现高密度图案的制造。例如，通过两次交替曝光，研究团队成功制造了周期为210纳米（相当于波长的0.41倍）的密集线阵列，这一周期远低于传统光刻技术能够达到的极限。这一成果不仅打破了传统TPA技术在分辨率和效率之间的权衡困境，还为纳米打印和纳米成像领域带来了新的可能性。
图4双光子数字多重投影曝光打印原理及实验加工结果
这项技术不仅在纳米打印领域取得了突破，还在多个领域展现出巨大的应用潜力。在微电子领域，该技术能够制造出更高集成度的芯片电路；在光学领域，它可以用于制造高性能的光学波导和微环谐振器；在生物医学领域，该技术能够制造出用于细胞培养和病毒检测的微流体芯片，为生物医学研究提供新的工具。
少光子激发下的双光子吸收（fpTPA）技术的成功为纳米制造和纳米成像领域带来了新的希望。研究团队指出，通过进一步优化光刻胶材料和加工参数，该技术有望实现10纳米以下的特征尺寸，甚至实现单分子成像和纳米制造。这将为未来的纳米技术发展开辟新的道路，推动从微电子到生物医学等多个领域的技术革新。
图5 双光子数字光学投影打印光学波导、微环谐振器以及复杂的生物微流体通道图案
暨南大学物理与光电工程学院光子技术研究院梁紫鑫博士、赵圆圆副教授、陈经涛博士及中科院理化所董贤子副研究员为论文共同第一作者，赵圆圆副教授、郑美玲研究员和段宣明教授为共同通讯作者。中科院理化所金峰为这项工作做出了重要贡献。
该研究得到国家重点研发计划项目、“广东特支计划”科技创新领军人才、国家自然科学基金项目、广州市重点领域研发计划、广东省自然科学基金等项目的支持。
