超透镜（Metalens）提升显微级 3D 打印精度：光线扭曲原理加速双光子光刻技术

图1：研究人员使用超透镜 3D 打印国际象棋棋盘，棋子的每块宽度仅为 100 微米。

借助类似制造“隐形斗篷（Invisibility Cloaks）”的“光线扭曲（Light-warping）”原理技术，科学家们开发出一种新型3D打印技术，既能实现微观细节的精细加工，又能保持高生产效率。研究人员表示，这项新技术有望实现复杂纳米级结构的批量生产。其潜在应用包括药物输送和核聚变研究。

 目前，用于3D打印复杂微观结构最精确的方法是双光子光刻技术。该技术使用液态树脂，只有当树脂中的光敏分子同时吸收两个光子时才会固化，而不是只吸收一个光子。借助这一机制，双光子光刻能够制造体素（Voxel）——即三维空间中的“像素”——尺寸仅为几十纳米的结构。

 然而，双光子光刻在大规模实际应用中始终面临速度瓶颈。这一限制使其长期以来主要作为实验室工具，用于制造微观原型，而难以实现规模化生产。

 迄今为止，双光子光刻系统主要依赖传统光学透镜，而这些透镜的结构限制在一定程度上拖慢了加工效率。如今，在一项最新研究中，夏晓星及其同事开始尝试使用一种被称为“超透镜（Metalens）”的新型光学器件，这类器件能够以非常规方式操控光线的传播。  

超透镜（Metalens）正在革新 3D 打印技术

研究人员实验了一类由光学元结构（Metastructures）构成的光学器件。这类材料内部包含尺度小于其作用光波波长的周期性微结构，从而能够以多种方式精确操控光线。超透镜正是光学元结构的一种代表，其能力甚至可实现类似“隐形斗篷（Invisibility Cloaks）”的光线绕射效果，使光线绕过物体传播。

 在这项新研究中，研究人员制备了一系列超透镜（Metalens）。当强度极高的激光照射到它们身上时，每一个超透镜都可以作为一个独立的微型 3D 打印单元使用。能够聚焦光线且不会出现传统光学曲线带来的像差。由此产生的镜头不仅能产生高分辨率，还能避免可能降低通透率的问题。

 研究团队制造的超透镜最多包含129,500 个阵列。每个宽度约为 100 至 200 微米，其内部由密集排列的硅纳米柱构成，每根硅柱长度约 195 纳米，直径约 104 纳米。

 该超透镜光刻系统首先将飞秒级近红外激光脉冲照射到空间光调制器上。光调制器将激光塑形成特定的光场分布，并投射到金属透镜阵列上，在其下方的树脂中同时生成超过 12 万个聚焦光斑，从而实现大规模并行固化。阵列中的每一个金属透镜都可以独立工作，用于打印不同的三维微结构。

 在一项演示实验中，研究人员成功制造了微型棋盘结构，其中每一个约 100 微米宽的棋子，均由阵列中的不同金属透镜独立打印完成。

图2：研究人员展示一种超透镜阵列，可以在加快微观 3D 打印任务速度的同时更加精确

谈及该技术的潜在应用，位于加州利弗莫尔的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室科研人员夏晓星表示，这一方法有望用于制造高度复杂、专用化的激光靶材，例如激光核聚变研究中用于储存燃料的微型燃料丸。另一项重要应用前景是批量制备纳米颗粒，用于体内药物递送，而这类结构往往难以通过传统制造技术实现。

 传统双光子光刻的一大弱点在于，其单次可打印区域通常仅有数百微米见方。若需构建更大尺寸的结构，研究人员往往不得不将成千上万个微小区域进行拼接，这一过程不仅耗时，而且极易引入误差。相比之下，新系统可在单次打印中覆盖单边尺度高达 12 平方厘米的区域，显著减少了对拼接工艺的依赖。

 实验结果显示，该系统能够打印最精细约 113 nm的结构特征，分辨率与当前先进的双光子光刻系统相当。但在打印速度方面，其性能提升尤为显著：打印速率最高可达 每秒 1.2 亿个体素，约为现有双光子光刻系统的 1000 倍。

 “我们在这篇论文中展示的成果，是在实验室资源有限的条件下完成的，”夏晓星表示，“如果采用商业化的现成升级方案，系统的整体吞吐量还有望在相对简单的条件下再提升 100 倍。”

 研究人员已于 12 月 17 日在 Nature 期刊在线发表了上述研究成果。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09842-x

文章来源：https://spectrum.ieee.org/amp/two-photon-lithography-3d-printing-2674402439