近日，暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，首次闡明了雙光子吸收的時(shí)間相關(guān)量子機(jī)制，并提出了一種基于少光子輻照的雙光子吸收（fpTPA）光學(xué)納米打印技術(shù)，成功突破了傳統(tǒng)雙光子打印技術(shù)的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了高分辨率與高效率的完美結(jié)合。

雙光子吸收（TPA）是一種廣泛應(yīng)用于三維熒光成像和納米結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域的非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的TPA技術(shù)使用高強(qiáng)度聚焦激光束激發(fā)熒光分子實(shí)現(xiàn)三維熒光成像，或誘發(fā)局域化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)三維納米加工。然而，高強(qiáng)度聚焦激光束不僅會(huì)引發(fā)不必要的高階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致光毒性、光漂白和微爆炸等問(wèn)題，還會(huì)限制其分辨率和效率提升。

針對(duì)現(xiàn)有基于波動(dòng)光學(xué)理論的雙光子效應(yīng)研究范式，研究團(tuán)隊(duì)從量子理論基本原理出發(fā)，利用波粒二象性、疊加態(tài)、不確定性原理、隨機(jī)概率統(tǒng)計(jì)等光量子特性構(gòu)筑了雙光子吸收過(guò)程的量子圖像，建立了少光子輻照下的雙光子吸收時(shí)空量子模型，闡明了雙光子吸收的時(shí)間依存量子機(jī)制。模擬計(jì)算結(jié)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(xiàn)出與傳統(tǒng)高斯分布完全不同的分布狀態(tài)，超低光流密度下雙光子吸收概率可被壓縮至數(shù)納米尺度范圍，證明了利用雙光子吸收量子機(jī)制突破傳統(tǒng)波動(dòng)光學(xué)理論衍射極限的可行性。

 

雙光子吸收的時(shí)間相關(guān)量子機(jī)制原理圖

研究團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字光學(xué)投影納米光刻技術(shù)（TPDOPL），結(jié)合少光子輻照技術(shù)，通過(guò)精確控制光子通量和脈沖累積次數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了26納米的最小特征尺寸，這一尺寸僅為波長(zhǎng)的二十分之一，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光學(xué)曝光技術(shù)的分辨率極限。與傳統(tǒng)的逐點(diǎn)激光直寫(xiě)技術(shù)相比，TPDOPL技術(shù)的吞吐量提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大面積的納米結(jié)構(gòu)制造。此外，研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種原位多次曝光技術(shù)（iDME），通過(guò)在DMD上加載多個(gè)圖案并進(jìn)行交替曝光，能夠在不違反光學(xué)衍射極限的情況下實(shí)現(xiàn)高密度圖案的制造。例如，通過(guò)兩次交替曝光，研究團(tuán)隊(duì)成功制造了周期為210納米（相當(dāng)于波長(zhǎng)的0.41倍）的密集線(xiàn)陣列，這一周期遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光學(xué)曝光技術(shù)能夠達(dá)到的極限。 

雙光子數(shù)字光學(xué)投影光刻系統(tǒng)示意圖及模擬與實(shí)驗(yàn)加工結(jié)果

該研究工作從基礎(chǔ)的光量子特性視角重新審視雙光子吸收效應(yīng)，不僅為超微弱光非線(xiàn)性光學(xué)提供了新思路，也將為發(fā)展基于新原理的超衍射光學(xué)技術(shù)及其在相關(guān)領(lǐng)域的前沿應(yīng)用提供巨大潛力。在微電子領(lǐng)域，該技術(shù)可用于高集成度芯片制備；在光學(xué)領(lǐng)域，可用于高性能的光學(xué)波導(dǎo)和微環(huán)諧振器制造；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)能夠制造出用于細(xì)胞培養(yǎng)和病毒檢測(cè)的微流體芯片，為生物醫(yī)學(xué)研究提供新的工具。研究團(tuán)隊(duì)指出，少光子輻照下的雙光子吸收（fpTPA）技術(shù)的成功為納米制造和納米成像領(lǐng)域帶來(lái)了新的希望。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，該技術(shù)有望用于10納米以下納米制造和甚至單分子成像。

該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、“廣東特支計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣州市重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文信息：

Zi-Xin Liang, Yuan-Yuan Zhao, Jing-Tao Chen, Xian-Zi Dong, Feng Jin, Mei-Ling Zheng, Xuan-Ming Duan. Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting. Nature Communications 16, 2086 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57390-9