雙光子聚合（Two-photon Polymerization, TPP）技術，憑藉其高達約百納米的精細分辨率，已經成爲3D納米加工領域的一項關鍵技術。然而，傳統的雙光子聚合打印繫統大多採取逐點掃描的串行打印方式，這種方式由於打印效率受限，在工業應用中受到了顯著的製約。而基於飛秒激光的時空域聚焦技術所開髮的麵投影打印技術(Femtosecond Projection Printing, FP)，能夠顯著提高3D納米打印的速度，使得快速且連續的3D納米打印在工業上的應用成爲可能。因此，本文將深入探討飛秒激光的時空域聚焦技術，解析這一技術如何實現3D納米打印過程的加速，並揭示其背後的技術原理。
飛秒激光簡介
首先，要理解時空域聚焦（Spatial-Temporal Focusing）技術，我們需要對飛秒激光（Femto-second laser）有初步的了解。
飛秒激光是指由飛秒激光器産生的，脈衝寬度在飛秒尺度(~10-15s)的脈衝光序列，這種序列中的每一個光脈衝持續時間極爲短暫。
在時間域上，由於飛秒激光脈衝寬度極窄，在單脈衝能量不變的前提下，根據功率公式(P=E/t），我們可以得出飛秒激光具有極高的峰值功率。這種高峰值功率使得飛秒激光與物質相互作用時表現出獨特的物理和化學特性。此外，飛秒激光的極短脈衝時間也意味着它可以在不産生熱影響區域的情況下對材料進行加工，可以有效避免熱效應的積累對打印質量産生影響[4]（通常材料的熱弛豫時間在納秒(10-9s) 至皮秒(10-12s)級別）。這一特性使得飛秒激光在精密加工領域得到了廣泛應用。
在頻域上，飛秒激光具有寬光譜的特性。這是因爲時間域和頻域之間存在傅裡葉變換的關繫，當時間尺度越小，對應的譜寬就越大。然而，僅僅滿足寬光譜並不能産生超短脈衝，這還需要一些複雜的技術，比如飛秒激光鎖模技術。由於篇幅有限，我們在此不展開對這些技術的討論。爲了直觀地理解之後介紹的時域聚焦技術，我們隻需要記住一個最重要的産生飛秒超短脈衝的必要條件：所有的光譜成分必須在空間上重疊。
多光子光刻技術(Multiphoton Lithography) 簡介
多光子光刻（也稱作激光直冩）類似於標準的光刻(Photolithography)技術，通過利用特定波長的光束對正光刻膠或者負光刻膠進行曝光實現結構的打印。不同的是，該技術不需要使用掩膜闆，可以極大地提高該項技術在微納製造領域的快速成型效率，可以用於實現亞微米分辨率複雜3D結構打印。
雙光子聚合技術簡介(Two-photon polymerization)
雙光子聚合技術是多光子光刻技術的一個分支，其核心物理原理是飛秒激光脈衝與光敏樹脂的相互作用過程中産生的雙光子吸收（Two photon absorption, TPA），這是一種非線性過程。隻有當激光的強度超過了樹脂的聚合閾值，激光的焦點附近才會觸髮光固化過程，將液態的樹脂轉化爲固態（如下圖所示）。隨後，通過一繫列後續處理過程，液態材料被去除，從而實現預設的3D結構打印。目前，該項技術已經廣泛用於打印各種微納3D結構，譬如用於打印集成光學中的各種器件，包括波導、光子晶體、超材料等；此外，還可以用於微流控器件、光存儲芯片以及量子光芯片的打印等廣泛應用場景之中[5-10]。
多光子光刻技術(Multiphoton Lithography) 簡介
多光子光刻（也稱作激光直冩）類似於標準的光刻(Photolithography)技術，通過利用特定波長的光束對正光刻膠或者負光刻膠進行曝光實現結構的打印。不同的是，該技術不需要使用掩膜闆，可以極大地提高該項技術在微納製造領域的快速成型效率，可以用於實現亞微米分辨率複雜3D結構打印。
雙光子聚合技術簡介(Two-photon polymerization)
雙光子聚合技術是多光子光刻技術的一個分支，其核心物理原理是飛秒激光脈衝與光敏樹脂的相互作用過程中産生的雙光子吸收（Two photon absorption, TPA），這是一種非線性過程。隻有當激光的強度超過了樹脂的聚合閾值，激光的焦點附近才會觸髮光固化過程，將液態的樹脂轉化爲固態（如下圖所示）。隨後，通過一繫列後續處理過程，液態材料被去除，從而實現預設的3D結構打印。目前，該項技術已經廣泛用於打印各種微納3D結構，譬如用於打印集成光學中的各種器件，包括波導、光子晶體、超材料等；此外，還可以用於微流控器件、光存儲芯片以及量子光芯片的打印等廣泛應用場景之中[5-10]。
域聚焦的基本原理如上圖所示，和傳統的透鏡聚焦方式一樣，空間聚焦仍然通過使光線穿過物鏡實現，但是，時域聚焦技術在空間上並未保持所有光譜成分的重合。首先，我們通過某種手段（例如色散元件）將飛秒激光在空間上分散（此時，飛秒脈衝産生的第一個條件並未滿足）。然後，我們通過物鏡將所有的光譜成分再次在空間上聚焦，同時在透鏡的後焦麵，所有的光譜成分無啁啾（所有的光譜同時到達焦麵）。因此，根據飛秒激光産生的條件，這時就可以在透鏡的後焦麵實現最短的飛秒脈衝。
下圖可以更直觀地描述時域聚焦技術相比於空間聚焦技術的最大優勢：大麵積激髮。
圖a呈現的是傳統的雙光子激髮技術。在這種技術中，一束超短脈衝被空間聚焦至單一焦點，從而在該點産生高峰值光強。然而，當這個脈衝穿過某些樣品（比如光刻膠）時，其持續時間幾乎保持不變。如果光強足夠強，那麼在焦點上下的區域可能會髮生光固化。轉向圖b，它展示了時域聚焦對時間脈衝寬度Δt和空間上光斑麵積的影響。首先，我們可以看到焦麵附近的光斑照亮麵積比空間聚焦方式的光斑大小要大數個數量級，這就是所謂的麵激髮。其次，當脈衝在樣品中傳播時，脈衝寬度會展寬，隻有在焦平麵處才能達到峰值，而在焦麵前後，脈衝都會被拉伸。這導緻此時的激光脈衝寬度並非最窄，因此無法實現雙光子激髮，這極大地提高了在軸向上打印的精度。
技術實現
最初，時域聚焦技術的實現是通過使用光柵來分離飛秒激光的光譜，接着通過一個4-f繫統將光柵與物鏡的後焦麵實施共軛，從而將光柵投影至樣品麵。然而，這種方法的光柵是靜態的，無法實現圖案的動態切換，因此最初的提出僅限於雙光子成像領域，隻可用於實現快速的麵激髮雙光子成像。
隨後，香港中文大學陳世祈教授團隊對該技術進行了進一步探索和改進，他們首創性地將數字微陣列器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）融入時域聚焦繫統中。由於DMD本身就是一種二維光柵元器件，因此它對飛秒光的影響與光柵類似，存在色散作用。更爲重要的是，DMD還可以作爲一個動態可編程器件，實現多樣化圖案的投影，其主要的光路示意圖如下圖所示。
陳世祈教授團隊在推進新方案的過程中，主要麵臨的挑戰是飛秒激光的穩定性控製以及嚴苛的環境管理。高能激光的操作需要嚴格的環境條件控製，任何微小的偏差或不穩定都可能導緻打印過程中出現錯誤，甚至可能導緻打印結果的失敗。爲了解決這個問題，他們利用了一繫列高精度設備，例如高精度位移平颱，嚴格的實驗室環境，以及規範的後期處理流程，使得高精度打印成爲可能。
另一方麵，飛秒激光的色散控製也是一個重要的挑戰。在打印過程中，如果不能有效地控製色散，將直接影響到打印的分辨率。爲了解決這個問題，陳世祈教授團隊的成員們通過大量的實驗和仿真模擬，優化並完善了整個繫統，實現了基於時域聚焦原理的打印過程。這一創新性的成果在2019年髮表於《科學》雜誌上，得到了廣泛的認可和多項榮譽。
以下是基於該繫統打印的一些最新實驗結果圖，可以看出，在運用該項技術進行打印的時候，在提高打印速度的同時，不犧牲打印的分辨率，其相比同樣的商業打印繫統而言，具有極強的競爭優勢。
結語
飛秒激光時空域聚焦技術，起源於雙光子熒光成像領域，已經逐步應用到3D納米加工技術中，並且仍在不斷研究和進步中。該項技術相比於傳統的點激髮技術來説，它可以實現整個麵激髮。同時，該項技術在陳世祈教授團隊的不斷改進和創新之下，可以實現可定製化的快速3D結構成型。這種技術方案的廣泛適用性和其能極大提高打印速度的優勢，同時保持打印分辨率，讓我們對未來這項技術的廣泛應用寄予厚望。
参考资料
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