文章来源：先进制造
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导读
在当今科技飞速发展的时代，纳米打印技术正逐渐成为推动微电子、光学和生物医学等领域进步的关键力量。然而，传统的双光子吸收（TPA）技术在高分辨率和高效率之间一直存在难以调和的矛盾。高光强虽然能够提高打印效率，但容易引发光漂白、微爆炸等问题，同时限制了打印的分辨率；而低光强则难以实现有效的光子吸收，导致打印速度过慢。这一矛盾长期困扰着纳米打印技术的发展。
近日，暨南大学光子技术研究院赵圆圆副教授、段宣明教授团队联合中国科学院理化研究所郑美玲研究员团队，提出了一种基于少光子辐照的双光子吸收（fpTPA）技术，成功突破了传统TPA技术的瓶颈，实现了高分辨率与高效率的完美结合。该成果以“Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting”为题发表在Nature Communications上。论文共同第一作者为暨南大学光子技术研究所梁紫鑫博士、赵圆圆副教授、陈经涛博士和董贤子副研究员，共同通讯作者为赵圆圆副教授、郑美玲研究员和段宣明教授。
图1：双光子吸收的时间相关量子机制原理图
少光子辐照技术思路和原理
少光子辐照的双光子吸收（fpTPA）技术基于光的波粒二象性原理，通过精确控制飞秒激光脉冲的光子数量，实现了在超低光子辐照度下的高效双光子吸收。研究团队开发的时空模型详细描述了在少光子条件下，双光子吸收的时间依存量子机制。在这种机制下，光子与分子的相互作用不再局限于传统的高光强条件，而是通过精确控制光子数量和脉冲宽度，使得两个光子能够在极短的时间间隔内被分子吸收，从而有效触发双光子吸收过程，且双光子吸收概率呈现出与传统高斯分布完全不同的分布状态，超低光流密度下双光子吸收概率可被压缩至数纳米尺度范围，证明了利用双光子吸收量子机制突破传统波动光学理论衍射极限的可行性。
图2：少光子辐照下有效双光子吸收的时空概率分布图
高效率高分辨率打印技术的关键突破
研究团队通过实验验证了少光子辐照双光子吸收技术在纳米打印中的巨大潜力。在实验中，研究团队利用数字光学投影纳米光刻技术（TPDOPL），结合少光子辐照技术，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纳米的最小特征尺寸，这一尺寸仅为波长的二十分之一，远低于传统光学曝光技术的分辨率极限。与传统的逐点激光直写技术相比，TPDOPL技术的吞吐量提高了5个数量级，能够在短时间内实现大面积的纳米结构制造。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学曝光技术能够达到的极限。
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
多场景应用验证与展望
少光子辐照技术不仅在纳米打印领域取得了突破性进展，还在光学成像和生物医学等领域展现出广泛的应用前景。研究团队利用该技术成功打印了多种微纳结构，包括光学波导、微环谐振器以及复杂的生物微流体通道。这些结构的特征尺寸覆盖从微米到纳米的跨尺度范围，展示了少光子辐照技术在不同应用场景中的灵活性和高效性。此外，该技术还被应用于生物医学领域，成功构建了用于病毒检测和细胞培养的微流体芯片，为生物医学研究提供了新的工具。
图4：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
总结与展望
少光子辐照的双光子吸收技术的核心创新在于通过精确控制光子数量和脉冲宽度，实现了在超低光子辐照度下的高效双光子吸收。与传统TPA技术相比，该技术不仅突破了分辨率极限，还显著提高了打印效率。此外，该技术无需复杂的光路改造，兼容现有的数字光学投影系统，具有低成本、高稳定性和高效性的优势。这项技术不仅为纳米打印领域提供了新的理论和实验依据，还为微电子、光学和生物医学等领域的制造和检测提供了一种高效、灵活的解决方案，有望推动相关技术的进一步发展。
论文信息
Zi-Xin Liang, Yuan-Yuan Zhao, Jing-Tao Chen, Xian-Zi Dong, Feng Jin, Mei-Ling Zheng, Xuan-Ming Duan. Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting. Nature Communications 16, 2086 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57390-9
