量子控制的少光子策略为下一代光学纳米打印提供动力

在一项可能重塑微电子、光学和生物医学未来的发展中，暨南大学的研究人员与中国科学院化学研究所合作，推出了一种新的纳米打印技术，该技术同时实现了前所未有的分辨率和效率。

他们的研究题为“用于光学纳米打印的少光子照射下的双光子吸收”，发表在《自然通讯》上。

几十年来，双光子吸收（TPA）一直是光学纳米打印的基石，但它面临着一个根本的权衡：高光强度会提高打印速度，但会降低分辨率，并有损坏材料的风险，而低光强度会保持分辨率，但会大大减缓打印过程。这种固有的冲突长期以来一直制约着高性能纳米制造的发展。

现在，由暨南大学光子技术研究所赵副教授和段宣明教授领导的团队，以及中国科学院郑美玲研究员的团队，推出了一种称为少光子双光子吸收（fpTPA）的创新策略。

通过精确控制飞秒激光脉冲中的光子数量，他们证明了即使在超低光子暴露下也可以发生有效的双光子吸收，打破了长期存在的性能瓶颈。

fpTPA技术利用光的波粒二象性，精心编排飞秒脉冲，以确保即使在非常低的光子通量下，两个光子也能快速连续地被分子吸收。一种新开发的时空模型描述了这些稀疏光子条件下的量子力学相互作用路径。

与依赖于强连续光子场的传统TPA不同，fpTPA能够在纳米级区域内实现高度局部化的双光子事件，有效地突破了经典光学规定的衍射极限。

利用他们的少光子方法与双光子数字光学投影光刻（TPDOPL）相结合，该团队实现了小至26纳米的特征尺寸，仅为工作波长的二十分之一。与传统的激光直写方法相比，这是一个巨大的飞跃。此外，TPDOPL系统将吞吐量提高了五个数量级，允许快速打印大规模、高分辨率的结构。

还引入了另一项创新，称为原位双掩模曝光（iDME）。通过顺序曝光多个数字掩模图案，研究人员制备了周期仅为210纳米（约为波长的0.41倍）的致密纳米结构，远低于传统的光学极限，而不会牺牲结构完整性。

除了突破打印分辨率的极限外，少光子TPA技术还表现出了非凡的多功能性。研究人员成功制备了各种微结构和纳米结构，包括光波导、微环谐振器和复杂的生物微流体通道，突显了其在光通信和生物医学工程中的潜力。值得注意的是，该技术已被应用于构建用于病毒检测和细胞培养的微流体芯片，为生命科学研究提供了一种强大的新工具。

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至关重要的是，这一突破不需要对现有的光学设置进行大量修改。少光子TPA方法与标准数字光学投影系统兼容，为下一代纳米制造提供了一条经济高效、稳定且高度可扩展的途径。

赵说：“这项技术从根本上改变了我们对双光子过程的看法。”。“它开辟了一条实用有效的路线，在不影响产量的情况下实现超高分辨率制造，为微电子、光子学和生物医学的新进展铺平了道路。”

凭借其深厚的理论基础和广泛的应用，少光子双光子吸收有望重新定义纳米级制造的未来格局。p