超透镜阵列将双光子光刻吞吐量提升1000倍

加利福尼亚州利弗莫尔，2026年1月6日 — 双光子光刻（TPL）需要高数值孔径（high-NA）显微物镜来实现纳米级分辨率。这使得 TPL 打印面积限制在几百微米内。为了扩大打印区域，必须将数千块拼贴在一起——这是一个费力且易出错的实验过程。

为了将 TPL 从实验室中迁移出来，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和斯坦福大学的研究人员开发了一个 3D 纳米制造平台，利用超透镜（ Metalens ）生成的焦点阵列，将 TPL 并行化到厘米级写入场区域之外，同时不牺牲亚微米级分辨率。新的 TPL 平台展示了三维纳米光刻技术成为微电子学、生物医学、 量子技术等领域晶圆级制造工具的潜力。

研究人员用高 NA 金属烯的磁砖排列取代了传统 TPL 中使用的显微镜物镜。每个镜头都像一台微型打印机。Metalens TPL 不是扫描单束光束，而是并行打印成千上万个小区域，使得所有区域都能在同一通道中无缝合并。

为了避免不利的邻近效应，研究人员将焦点设置在超透镜的间距处，而不是将它们密集地挤在一个微小的光场中。

研究人员将空间光调制器（SLM）集成到 metalens TPL 平台中，使其能够打印半周期和非周期的三维结构。SLM 可用于实时调整每个焦点的强度，开关光束，通过精确的灰度控制调节线宽，或逐层控光束形成更大的图案。

除了提供一种均衡光束强度的方法外，在使用TPL平台时，通过一种叫做自适应超光刻的方法，空间光调制器（SLM）还提供了更大的设计自由度。

“在项目过程中，我们意识到通过动态开关焦点并精心规划打印轨迹，实际上可以实现高度并行化的全随机结构，”Xiaoxing Xia说。在一次工艺中，研究人员打印了16个不同的显微国际象棋开局。

图1. 劳伦斯利弗莫尔国家实验室和斯坦福大学研究人员团队开发的创新双光子光刻（TPL）平台利用大量金属元件阵列，将飞秒（fs）激光分拆成超过 12 万个协调的焦点点，这些焦点能在厘米尺度区域同步书写。该方法能生成最小特征尺寸为 113 纳米的复杂3D架构，吞吐量比商业系统快 1000 倍以上。

在实验中，研究人员使用了一个12cm² 的超透镜阵列，将飞秒激光分成超过120,000个协调的焦点——相当于吞吐量超过10^8体素/秒，即每秒超过1亿个体素。

金属胶的特殊性质使其非常适合用于高通量纳米光刻的亚微米级焦点。Metalens TPL 系统的吞吐量比商业系统快 1000 倍以上。

研究人员还展示了复制微结构的平行打印技术（每天超过5000万微粒）。他们还打印出了复杂的厘米级3D结构，特征尺寸可达113纳米，以及光子和机械超材料。

“当 3D 打印系统首次在一厘米尺度和三厘米尺度上工作时，看到当时开发了三到四年的想法实现，真的令人惊叹，”Xia说。“看到印刷品以比商业打印机快数百到数千倍的速度准确完成，我们意识到这是一个突破。”

他认为光学与增材制造的融合是该领域的决定性一步。他说：“光是地球上制作功能性材料和微型建筑最精良的凿子。”“控制光的新方法将彻底改变材料制造方式。”

3D纳米光刻的新方法并行运作且具有自适应性，因此成为一种多功能工具。例如，该方法每天可制造数千万个微粒子，或用于制造梯度密度激光靶材，或制造柔性太赫兹器件。

Metalens TPL 有望用于为微流控、量子通信、微电子学、光子学、聚变能和生物医学等新兴技术创建复杂的模块化架构。团队对利用 metalens TPL 扩大 LLNL 正在进行的聚变燃料胶囊和捕获离子量子计算芯片 3D 打印的研发工作感到兴奋。

随着更高功率激光、更大尺寸的金属晶圆和更快的调制器问世，团队相信 Metalens TPL 将具备以更快速度打印更复杂器件的能力，推动 3D 纳米制造向主流晶圆级生产迈进。

研究员Songyun Gu表示：“这意味着 TPL 终于具备被行业采用的潜力。”“以前它纯粹是研究人员的实验工具。通过晶圆级纳米制造，我们有潜力制造纳米材料和微器件，就像制造计算机芯片一样，芯片复杂但可以以极低的单位成本批量生产。而元光学正是解决方案。”

TPL metalens 技术平台 MetaLitho3D 荣获 2025 年研发百强奖，彰显其实用潜力。

该研究发表在 《Nature》（www.doi.org/10.1038/s41586-025-09842-x ）。

文章来源：https://www.photonics.com/Articles/Metalens-Platform-Broadens-the-Scalability-of-3D/p5/a71826