3D打印技术参考注意到，2025年第5篇与3D打印技术相关的Nature正刊文章于12月17日发表。来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的中国博士后研究员Songyun Gu发表了题为“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”的文章。凭借这项新技术，研究团队还获得了有“科技创新界奥斯卡奖”美誉的R&D 100大奖。
Songyun Gu（中），Xiaoxing Xia（右）
他们将传统双光子光刻3D打印机一个多月才能完成的任务，缩短至不到两个小时，并且极大提升了制造精度。根据笔者理解，这项成果很像金属3D打印领域，从单激光选区熔化一步迈入了区域打印，从厘米级别的打印尺寸一步迈入到了米级。
它解决了双光子光刻3D打印技术制造复杂三维纳米结构时遇到的「打印分辨率和打印速度」之间相互矛盾的问题，大幅提高了效率、打印面积以及结构复杂度。对微电子、生物医学、量子技术等这些对复杂三维纳米结构有极大需求的领域有重要影响。
笔者查询到，双光子光刻多年来一直是制造复杂三维纳米结构的重要技术。它利用超短脉冲飞秒激光，通过精确控制光强阈值实现纳米特征结构的打印。结构本身已经到达了纳米量级，因此产品的制造精度对产品性能的影响会很明显。但是，这项技术一直受到显微成像光学系统的限制，带来了一系列的问题。
基于金属透镜阵列的双光子光刻示意图：图案化的飞秒激光投影到金属激光阵列上，生成用于并行三维纳米光刻的焦点
首先是打印面积的限制，因为打印系统依赖常规显微物镜聚焦激光，物镜视场被限制在几百微米内，要打印厘米级物体就得需要先分块打印、然后拼接。其次是如果要采用多光并行，聚焦点之间的间距过小就会带来不希望的交联，进而导致分辨率下降。第三，如果采用固定焦点阵列，那么就只能打印特定结构。第四，如果采用全息焦点扫描，虽然可以提高灵活度，但又面临数据处理和传输的问题，严重影响实际打印速度。
Songyun Gu展示透镜阵列
这项研究提出了一种新的解决方案，从根本上改变了双光子光刻的实现形式，实现了双光子光刻的近面打印。
具体地说，他们开发了一种包含12万个微透镜的超表面透镜阵列，阵列有多大，有效的打印区域就有多大，这从根本上消除了传统视场带来的打印面积限制。此外，每个透镜会分配相当数量的像素点用来控制光的穿过，进而控制所打印的特征结构精度。
打印微流控毛细网络的演示
如果要问以前为什么不采用这种阵列，是因为传统的微透镜特征决定了它们很难在阵列中密集排列，数值孔径很难做高，此外也存在像差校正等的问题。而这项研究开发出的阵列结构极薄，数值孔径容易做高，在设计中就可以消除像差问题。这个阵列结构是取得突破的关键。
通过采用大尺寸的金属透镜阵列，双光子光刻从厘米级区域内实现了大尺寸并行打印。
空间光调制器的因素能够通过调整像素的灰度来控制光的强度与开关。笔者发现，由12万个微透镜组成的超表面透镜阵列包含了1亿个像素，这是实现双光子光刻高精度打印的重要影响因素。有没有发现这些描述很熟悉？在Seurat公司开发的金属区域打印中，也有类似的原理。
双光子光刻晶格结构的拉伸试验
此外，他们还进一步开发了先进的数据处理和自适应曝光技术，使系统的制造能力进一步得到了提高。作为验证，他们打印了多种类型的复杂三维结构，如微尺度的象棋、梯度密度泡沫阵列、多深度微针阵列等等。在使用两个阵列时，打印面积达到了12厘米，可以实现对100亿个像素点的控制。
总的来说，他们开发的平台能够将飞秒激光分成超过12万个协同聚焦的光斑，这些光斑可以在厘米级区域内同时进行写入。这种基于超透镜的方法能够生成最小特征尺寸为113纳米的复杂三维结构，而且打印效率比商用系统快一千倍以上。
此外，笔者还注意到本文的通讯作者之一为Xiaoxing Xia，这是其在本年度发表的第二篇与3D打印技术相关的nature正刊文章，上一篇则与量子计算相关！
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