双光子光刻技术二十年：从材料科学角度探讨2D/3D微纳米结构的增材制造

双光子光刻技术（Two-photon lithography, TPL）是一种先进的增材制造技术，它利用双光子吸收（Two-photon absorption, TPA）过程，通过直接激光写入（Direct laser writing, DLW）方法，实现了二维（2D）和三维（3D）微/纳米结构的精确制造。这项技术自20世纪90年代末以来，已经在微电子、光子学、光电子学、微流控学和等离子体器件等领域展现出巨大的应用潜力。

TPL技术的核心在于双光子聚合（Two-photon polymerization, TPP），这是一种非线性光学过程，其中光引发剂（Photoinitiator, PI）通过连续吸收两个低能量光子而激发到高能状态。这一过程的空间限制性使得TPL能够在材料的体积内精确地控制聚合区域，从而实现高分辨率的微/纳米结构制造。然而，双光子可聚合树脂（Two-photon polymerizable resins, TPPRs）的缺乏限制了TPL技术发挥其全部潜力，因此持续的研究工作集中在开发高效的TPPRs上——不仅需要具有高TPA截面，还需要具备高量子产率、低荧光量子产率、快速固化单体、对写作波长的光学透明性以及良好的机械强度等特性。

TPL技术的应用范围非常广泛，包括但不限于：

• 生物医学科学：如经皮给药系统、细胞生长研究、生物可降解支架、3D DNA图案化等。
• 光学组件设计：如微弗涅尔透镜、3D光学微电路、波导等。
• 等离子体器件：如光纤表面增强拉曼光谱（SERS）探针等。
• 电磁机械系统：如纳米/微米流体控制系统。

尽管TPL技术具有诸多优势，但仍面临一些挑战，例如加工速度慢、缺乏商业化的TPPRs、加工体积小、动态范围低以及TPPRs的双光子吸收截面低等。未来的研究将集中在开发新一代材料，这些材料需要具备更低的阈值功率、更高的分辨率/精度以及优异的生物相容性。

双光子光刻技术作为一种高精度的微/纳米结构制造方法，已经取得了显著的进展，并在多个领域展现出巨大的应用前景。随着材料科学、光学和激光技术的进步，TPL技术能够在未来的微/纳米制造领域发挥更大的作用！

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参考文章：Two decades of two-photon lithography: Materials science perspective for additive manufacturing of 2D/3D nano-microstructures - ScienceDirect