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暨南大學融媒體中心訊 近日，暨南大學物理與光電工程學院（理工學院）趙圓圓/段宣明教授聯合中科院理化技術研究所鄭美玲研究員團隊在光學超衍射納米加工領域取得重要突破。該團隊建立了雙光子吸收效應時空量子模型，發展了一種全新的基于“少光子雙光子吸收”（fpTPA）光刻技術，在極弱光通量輻照下實現了超高分辨率納米打印，研究成果以“Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting”為題發表于國際頂尖期刊Nature Communications。暨南大學為第一完成單位，梁紫鑫博士、趙圓圓副教授、陳經濤博士，以及來自理化所董賢子副研究員為論文共同第一作者，段宣明教授、趙圓圓副教授，鄭美玲研究員為共同通訊作者。

文章標題頁截圖

雙光子吸收（TPA）是一種廣泛應用于三維熒光成像和納米結構加工領域的非線性光學現象。傳統的TPA技術使用高強度聚焦激光束激發熒光分子實現三維熒光成像，或誘發局域化學交聯反應實現三維納米加工。然而，高強度聚焦激光束不僅會引發不必要的高階非線性光學效應，導致光毒性、光漂白和微爆炸等問題，還會限制其分辨率和效率提升。針對現有基于波動光學理論的雙光子效應研究范式，研究團隊從量子理論基本原理出發，利用波粒二象性、疊加態、不確定性原理、隨機概率統計等光量子特性構筑了雙光子吸收過程的量子圖像，建立了少光子輻照下的雙光子吸收時空量子模型，闡明了雙光子吸收的時間依存量子機制。模擬計算結果表明，在高度聚焦的少光子飛秒激光脈沖輻照下，雙光子吸收概率呈現出與傳統高斯分布完全不同的分布狀態，其半高全寬被壓縮至數納米，證明了利用雙光子吸收量子機制突破傳統波動光學理論衍射極限的可行性。

時間依存雙光子吸收量子機制

運用雙光子吸收量子機制，研究團隊提出了一種全新的“少光子輻照雙光子吸收”（fpTPA）技術方案，研制了雙光子數字光學投影光刻（TPDOPL）實驗系統，開展了雙光子吸收量子機制驗證與應用探索。該系統利用數字微鏡器件（DMD）作為數字掩膜，能夠靈活地將飛秒脈沖激光生成任意圖案，將其投影到光刻膠上實現納米光刻。通過精確控制光子通量和脈沖累積次數，研究團隊成功實現了26納米的最小特征尺寸，這一尺寸僅為波長的二十分之一，遠低于傳統光學曝光技術的分辨率極限。與傳統的逐點激光直寫技術相比，TPDOPL技術的吞吐量提高了幾個數量級，能夠在短時間內實現大面積的納米結構制造。此外，研究團隊還提出了一種原位多次曝光技術（iDME），通過在DMD上加載多個圖案并進行交替曝光，能夠在不違反光學衍射極限的情況下實現高密度圖案的制造。例如，通過兩次交替曝光，研究團隊成功制造了周期為210納米（相當于波長的0.41倍）的密集線陣列，這一周期遠低于傳統光學曝光技術能夠達到的極限。

雙光子數字光學投影光刻系統示意圖及模擬與實驗加工結果

該研究工作從基礎的光量子特性視角重新審視雙光子吸收效應，不僅為超微弱光非線性光學提供了新思路，也將為發展基于新原理的超衍射光學技術及其在相關領域的前沿應用提供巨大潛力。在微電子領域，該技術可用于高集成度芯片制備；在光學領域，可用于高性能的光學波導和微環諧振器制造；在生物醫學領域，該技術能夠制造出用于細胞培養和病毒檢測的微流體芯片，為生物醫學研究提供新的工具。研究團隊指出，少光子輻照下的雙光子吸收（fpTPA）技術的成功為納米制造和納米成像領域帶來了新的希望。通過進一步優化，該技術有望用于10納米以下的納米制造領域，甚至在單分子成像方面也展現出潛力。

該研究得到國家重點研發計劃項目、“廣東特支計劃”科技創新領軍人才、國家自然科學基金項目、廣州市重點領域研發計劃、廣東省自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57390-9

責編：陳國瓊