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前瞻洞察|光力引导突破玻璃打印衍射极限
发布时间:
2026-01-16
引言：谈及微纳尺度的玻璃3D成型，我们往往会先想到基于飞秒激光的双光子聚合技术（Two-Photon Polymerization，TPP）。凭借接近衍射极限的加工精度和近乎无限的结构设计自由度，TPP技术已被视作当前微纳玻璃增材制造领域的“黄金标准”，在微光学、光子器件、生物芯片等前沿领域展现出广泛应用潜力。然而，该技术也面临着设备成本高昂、光路系统复杂、工艺调控繁琐以及加工效率相对有限等现实瓶颈。这些因素共同制约了TPP技术从实验室走向大规模工业化生产的步伐，也促使学界与工业界不断思考：是否可以通过技术创新，在成本、效率与精度之间寻得新的平衡点。2025年10月，浙江大学匡翠方教授研究团队提出一种新型纳米尺度增材制造技术，成功使用成本较低的连续波激光，实现了102nm的亚衍射极限玻璃3D打印。相关研究以“Subdiffraction-Limit Glass 3D Printing by Optical Force-Guided Polymerization With Two Continuous Wave Lasers”为题发表在权威期刊《Laser&Photonics Reviews》上。
摘要：实现200nm以下分辨率的自由形态石英玻璃纳米结构，是先进光子学和精密光学领域的关键能力。然而，当前基于飞秒激光的加工方法仍存在成本高、产量低和制造面积有限等问题。本文提出一种新型纳米级增材制造技术，采用连续波激光激发热固化型笼状倍半硅氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxane，POSS）光敏树脂，随后在650°C温度下可转化为熔融石英。该技术利用同步共轴激光束实现了两种不同的光化学机制：通过双色双步吸收过程实现空间约束，并采用光力引导聚合（optical force-guided polymerization，OFGP）技术以进行亚衍射图案精修。这种协同方法克服了光聚合物记忆效应带来的空间分辨率限制，实现了102nm的特征尺寸，突破了光学衍射极限。实验成功制备了高保真度的曲面结构，以及具备扩展体素调制范围的可编程灰度光刻图案，为玻璃基微光学元件生产开创了全新范式，实现了纳米级精度与工业级量产能力的完美结合。
图1 采用连续波（CW）激光制备纳米级3D结构
a）双光束激光直写示意图，其中M为反射镜，HWP为半波片，QWP为四分之一波片，AOM为声光调制器，L为透镜，PH为针孔，SL为扫描透镜，TL为镜筒透镜，SG为载物台，GM为振镜，SLM为空间光调制器，DM为二向色镜，CM为准直器，PMT为光电倍增管，OL为物镜。
b）仅采用不同功率的激发激光写入圆柱的扫描电子显微镜（SEM）图像；写入速度为10mm/s，绿色虚线为结构设计尺寸。
c）采用不同激发激光功率的双激光束写入圆柱的SEM图像。
d）平盘的原子力显微镜（AFM）数据，显示其具有光学光滑表面。
e）采用双连续波激光写入的微透镜（轴向切割精度为100nm）的SEM图像。
f）中心区域的放大视图。
g）采用780nm飞秒激光写入的微透镜（轴向切割精度为100nm）的SEM图像。
h）g中心区域的放大视图。
图2
a）在双对数坐标下，测量的阈值激发激光功率与扫描速度和曝光时间（点）的关系，其中显影激光功率不同。
b）不同显影激光功率下，线宽与激发激光功率的关系。写入速度为10μm/s，标尺为5μm。
c）激发激光功率从0mW逐渐增加到9.3mW时写入线条的扫描电子显微镜（SEM）图像，写入速度为50μm/s。
d）不同光刻胶（PR₁、PR₂、PR₃和PR₄）下实际圆柱与设计圆柱的直径比；这些光刻胶中苯偶酰和TEMP的含量相同；与PR₁相比，猝灭剂的比例分别为1、0.9、0.8和0.7。选取无中心凸起的写入结果作为实际直径。
e）不同光刻胶和不同显影激光功率下的最小线宽，黑点和红点分别是在P₅₃₂=0mW和30mW下写入的，黑色和红色曲线用渐近线拟合。
图3
a）以50µm/s的书写速度书写的线条的扫描电子显微镜图像。
b、c）以P532=0mW和30mW刻写悬空线条的扫描电子显微镜图像（下图为45°倾斜后的图像）。
d）灰度线条的扫描电子显微镜图像；刻写速度为10µm/s，且重复书写3次。
e）通过共聚焦显微镜测量的灰度线条高度变化。
f）设计结构。
g）实际书写结构，整体结构压缩至约94%。
h）650°C热处理前后结构的扫描电子显微镜图像。
图4
a）3D木堆结构的扫描电子显微镜图像，写入周期为600nm。
b）长度为20µm的立方体框架，左下角的图像为顶视图。
c）高度为40µm的独立盘状结构；左下角的图像为顶视图。
d）微型透镜的扫描电子显微镜图像。
e）光学轮廓测量（台阶测量仪）证实了近乎理想的精度。
f）采用0.4的数值孔径的物镜制作的微型透镜的光学性能（在1951年美国空军目标中的第228个Ip/mm组第7项第6个），目标尺寸为1英寸。
匡翠方教授团队通过理论与实验的紧密结合，验证了该方案在玻璃基微纳制造方案上的显著优越性。该技术不仅实现了超高分辨率的结构加工，更在结构保真度与灰度光刻能力方面表现突出，展现出卓越的工艺适应性。综合来看，该研究为玻璃基微纳光学元件的制备提供了一种兼具纳米级精度与工业级可扩展性的全新路径。尤为关键的是，该方案采用低成本的连续激光光源替代传统昂贵的飞秒激光系统，并通过创新性地引入光力调控局域化学反应，大幅降低了设备与技术门槛。这一技术突破有望推动玻璃3D打印在先进光子器件、高精度集成光学、生物医学传感等前沿领域的快速普及与深度应用，具有重要的科学价值与产业潜力。
文章来源：Sarker, S., Wen, Z., Acevedo, R. et al. 3D nanoprinting of embryo microinjection needles with anti-clogging features. Microsyst Nanoeng 11, 171 (2025).
文章网址：https://www.nature.com/articles/s41378-025-01005-2
DOI:https://doi.org/10.1038/s41378-025-01005-2
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