雙光子光刻（TPL）技術借助高數值孔徑（高NA）顯微物鏡才能實現納米級分辨率，這使得TPL技術的可打印區域被限制在數百微米范圍內。若要擴大可打印區域，必須將數千個可打印區塊拼接在一起，這一過程繁瑣且易產生誤差，通常僅限于實驗室環境。
基于超構透鏡的雙光子光刻
據麥姆斯咨詢報道，為了推動雙光子光刻技術走出實驗室，近期，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與斯坦福大學的研究人員共同研發出一款名為“MetaLitho3D”的3D納米加工平臺。相關研究以“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”為題發表于Nature期刊上。該平臺利用超構透鏡產生的聚焦光斑陣列，實現雙光子光刻技術的并行化，使其打印范圍突破了厘米級視場限制，且未犧牲亞微米級的分辨率。這款新型基于超構透鏡的雙光子光刻平臺，彰顯了3D納米光刻技術有望成為微電子、生物醫學、量子技術等領域晶圓級量產制造工具的潛力。
研究人員利用高數值孔徑超構透鏡陣列替代了傳統雙光子光刻設備中的顯微物鏡，每個超構透鏡都相當于一臺微型打印機。與單光束逐點掃描方式不同，超構透鏡雙光子光刻技術可并行打印數千個微小區域，并且所有區域可在單次加工中無縫拼接。
為避免產生不良的鄰近效應，研究人員按照超構透鏡間距排布聚焦光斑，而非將其密集聚集在狹小的光場內。
研究人員還在超構透鏡雙光子光刻平臺中集成了空間光調制器（SLM），使其能夠打印半周期性與非周期性3D結構。該空間光調制器可實時調節每個聚焦光斑的光強、開啟或關閉光束、通過精確的灰度調控實現線寬調諧，或調控光束逐層構建更大尺寸的圖案。
除了實現光束強度均衡，空間光調制器還通過一種名為“自適應超構光刻”的技術，為超構透鏡雙光子光刻平臺賦予更高的設計自由度。
研究人員Xiaoxing Xia表示：“在項目研究過程中我們發現，通過動態切換聚焦光斑的開啟與關閉，并精心規劃3D打印路徑，我們實際上能夠以高度并行化方式打印出完全隨機的結構。”研究團隊在單次工藝中便成功打印出16種不同的國際象棋開局的微觀圖案。
創新型超構透鏡雙光子光刻平臺通過大規模超構透鏡陣列將飛秒激光分解為可協同工作的聚焦光斑，實現在厘米級面積上同步光刻加工。
在實驗中，研究人員采用12平方厘米的超構透鏡陣列，將一束飛秒激光分解為超過12萬個協同聚焦光斑，加工通量突破10?體素/秒，即每秒可加工超1億個體素。
超構透鏡的獨特性能使其非常適用于制備高通量納米光刻所需的亞微米級聚焦光斑。該超構透鏡雙光子光刻系統的加工通量較商用系統提升1000倍以上。
研究人員還實現了3D微結構的并行復制打印，并成功打印出特征尺寸低至113納米的厘米級復雜3D結構，以及光子與力學超構材料。
3D微/納米結構的并行打印
Xiaoxing Xia說道：“當3D打印系統首次實現1厘米乃至3厘米尺度上的打印時，看著歷經三四年研發的技術方案落地成型，感覺十分震撼。當親眼看到打印速度達到商用打印機數百至數千倍時，我們意識到一項突破性技術已然誕生。”
Xiaoxing Xia認為，光學技術與增材制造的融合是該領域的標志性進展。他表示：“光是地球上雕琢功能材料與微結構最精密的刻刀。全新的超構透鏡光控技術將徹底變革材料制造方式。”
針對復雜3D結構的自適應并行化制造策略
超構透鏡雙光子光刻技術有望為光子學、微電子、微流控、量子通信、聚變能源與生物醫學等前沿領域制備復雜模塊化結構。研究人員對該技術的應用前景充滿期待，計劃借助其擴大勞倫斯利弗莫爾國家實驗室現有研發規模，實現聚變燃料靶丸與囚禁離子量子計算芯片的3D打印驗證。
隨著更高功率激光器、更大尺寸超構透鏡晶圓與更快調制器的問世，研究團隊相信超構透鏡雙光子光刻技術將具備加工更復雜的3D器件、實現更高加工速度的能力，推動3D微/納米制造邁向主流化、晶圓級量產階段。
研究人員Songyun Gu表示：“這意味著雙光子光刻技術終于具備了工業化量產應用的潛力。此前它僅為科研人員的實驗工具，而借助晶圓級納米制造技術，我們有望像生產半導體芯片一樣批量制造3D微納器件——其結構極為復雜，卻能被大批量、低成本生產，而超構光學正是實現這一目標的關鍵方法。”
這款名為“MetaLitho3D”的超構透鏡雙光子光刻技術榮獲2025年全球百大科技研發獎（2025 R&D 100 Award），彰顯了其實際應用價值。
