基于双光子聚合（TPP）的三维纳米光刻技术具有真正的三维制造能力和超越光学衍射极限的高打印分辨率，广泛应用于超材料、传感器和微型机器人等领域。然而，现有设备体积庞大、光学系统复杂且成本高昂，限制了3D纳米光刻技术在科学研究和工业界中的广泛应用。

作为一种平面光学器件，超表面符合追求紧凑和集成光学系统的发展趋势。同时，超表面展现出对各种光学参数（如相位、振幅、偏振和波长等）的强大调制能力。然而，目前将超表面集成到TPP系统中的研究还相对有限。二者的结合可能具有成本效益和巨大的发展潜力，有望在简化光学设置的同时，实现更丰富、更灵活的打印功能。

针对于此，来自华中科技大学武汉光电国家研究中心的熊伟教授和高辉副教授的团队提出了一种Metasurface-based TPP (M-TPP)方案，首次将超表面引入三维纳米光刻技术，构建了小型化、集成化的TPP系统，实现了高均匀性的多焦点并行加工。该工作以“3D Nanolithography via Holographic Multi-Focus Metalens”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》，文章被选为当期“Editor’s Choice”，并入选“封面文章”，如图1所示。

图1 《Laser & Photonics Reviews》期刊封面

如图2所示，数值孔径为0.8的全息多焦点超透镜被用来取代传统多焦点TPP系统中的各种光场调制组件，包括分束器、色散补偿系统、扩束系统和物镜。这些传统光学系统所需的光学元件尺寸及其光程长度在横向上约为几厘米，在轴向上约为几十厘米，重量在千克量级。相比之下，超透镜的有效横向口径为1 mm，有效轴向尺寸约1μm，连同玻璃基板的总重量仅为0.25 g。图2d展示了平面光学器件超透镜与传统物镜的直观对比。

图2 M-TPP系统示意图

研究人员采用了具有高设计自由度的全息原理，将不同位置焦点的相位分布同时编码到单个超透镜元件上，如图3所示。与超透镜阵列相比，这种共享孔径设计能够在保持较大数值孔径和口径的同时，实现更长的工作距离，这有利于打印高度更大的3D微纳结构。图3(e-g)展示了七个焦点的测量结果，其半高全宽分别为500 nm、530 nm、529 nm、551 nm、534 nm、536 nm和541 nm，具有95.15％的半高全宽均匀性。此外，每个焦点的强度均匀性为95.21％。这证明了全息多焦点超透镜具有出色的聚焦均匀性，为实现高均匀性并行打印奠定了基础。

图3 全息多焦点超透镜及其聚焦特性

基于M-TPP系统可以制造具有亚衍射极限特征尺寸的3D微纳结构。图4(a-b)展示了该系统所打印的最细线宽，其横向和轴向尺寸分别为100.8 nm和159.7 nm。图4(c-m)展示了基于全息多焦点超透镜打印的具有高均匀性的2D和3D微纳结构阵列。

图4 基于M-TPP系统制造的微纳结构

综上所述，熊伟和高辉研究团队提出了一种高集成度、功能强大的M-TPP技术，证明超表面能够为激光精密制造的进一步发展提供崭新的集成化设计平台。相关成果入选了中国光学工程学会“光学超构材料优秀成果提名”，如图5所示。基于超表面的强大光场调制能力，未来可以建立超紧凑的多功能3D纳米打印机等复杂的激光精密制造装备，从而推动3D纳米光刻技术在科研和工业领域的广泛应用。

图5 “光学超构材料优秀成果提名”证书

武汉光电国家研究中心博士生王星儿为论文第一作者，熊伟教授和高辉教授为该论文通讯作者，研究单位为华中科技大学和湖北光谷实验室。该研究工作得到了国家自然科学基金、光谷实验室创新研究项目、湖北省自然科学基金、青年人才托举工程、中国科学院西部之光项目和武汉市知识创新专项-曙光计划项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202400181

作者简介：

熊伟，华中科技大学教授，博士生导师，中组部国家海外高层次青年人才，武汉光电国家研究中心激光科学与技术研究部执行主任，核工业理化工程研究院首席科学家，主要从事微纳尺度激光3D/4D打印、微纳光学器件、以及超快激光成像与表征等方面研究。近年来在Science Advances、International Journal of Extreme Manufacturing、Nature Communications、Advanced Materials等国际知名期刊发表论文100余篇，授权国内外发明专利30余件。曾获2023年度国家科技进步等奖二等奖1项、国家教学成果二等奖1项，美国激光协会ICALEO国际会议最佳论文奖，并曾担任美国激光协会ICAELO国际会议激光纳米加工与制造的分会主席，POEM国际会议激光分会的共主席，目前担任中国机械工程学会极端制造分会委员会委员、《中国激光》和《光电子学前沿》（FOE）编委、《极端制造》（IJEM）青年编委，以及湖北和武汉激光学会副理事长。

高辉，华中科技大学武汉光电国家研究中心副教授，博士生导师，入选中国科协“青年人才托举工程”、湖北省高层次人才、2024斯坦福大学&爱思唯尔全球前2%顶尖科学家榜单。本科就读于浙江大学，博士就读于中国科学院大学与新加坡国立大学，曾获中国仪器仪表学会全国优秀博士论文奖、IAAM Young Scientist Award等奖项。研究方向包括全息显示、超表面微纳光学、激光微纳制造等，在Science Advances等国际期刊上发表论文二十余篇，研究成果入选ESI高被引论文。承担国家自然科学基金、湖北省青年基金等多项国家级及省部级项目，入选武汉市曙光计划。目前担任期刊Opto-Electronic Advances青年编委/武汉办公室主任、《中国激光》青年编委、中国光学工程学会微纳专委会委员/副秘书长、中国仪器仪表学会科普专委会委员/科普专家、Light科普坊科学家顾问等职务。