2025年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的谷松韵博士在《Nature》期刊发表的最新研究，提出了基于超透镜阵列的并行3D纳米打印平台。该系统利用100微米孔径的微透镜单元构建了包含超过12万个焦点的阵列，在12平方厘米面积上实现1.2亿体素每秒的峰值制造速率，将大面积纳米制造的通量推向了新的高度。
传统并行TPL技术的困境
双光子聚合是目前最先进的3D纳米打印技术之一。其物理机制基于非线性光学效应：当飞秒激光脉冲聚焦到光刻胶内部时，只有在焦点位置的光强足够高才能触发双光子吸收，使材料发生聚合固化。这种”阈值效应”赋予了TPL独特的三维加工能力和亚衍射分辨率。
为提升制造速率，研究者开发了多种并行TPL方法，但都各有局限。多焦点全息打印可实现数百至数千个焦点同时打印，但计算全息图需要迭代算法，数据处理速率低，且焦点数量受限于空间光调制器的分辨率。投影式光片曝光单层曝光速度快，但需要高功率激光放大器，且光学视场通常小于1平方毫米。微透镜阵列光学效率高、结构简单，但色散补偿困难，灵活性差。
所有基于固定视场的并行TPL技术都面临同一问题：传统方法采用”停止-曝光-移动-停止”的间歇式工作模式，频繁启停引入的机械振动带来定位误差，相邻视场边界处出现明显的拼接线，移动和稳定时间占总时间的20%到40%造成效率损失。
核心创新
谷松韵博士及其团队的核心创新在于抛弃传统显微镜物镜，设计了一套基于超表面（Metasurface）的光学系统。
1. 双阵列策略：研究团队设计了两种规格的超透镜阵列以适应不同需求 ：高通量型： 由 370 X 350 个透镜组成，单透镜孔径100微米（NA 0.8），总焦点数超12万，覆盖12平方厘米，专门用于大面积快速制造。高分辨型： 由 50 X 50 个透镜组成，单透镜孔径200微米（NA 1.0），用于实现极致的打印精度。
2. 超透镜设计细节：不同于传统透镜，这些超透镜基于几何相位（Geometric Phase）原理设计。它们是在熔融石英基底上制造的多晶硅（Polycrystalline Silicon）纳米柱阵列 13。每个纳米柱高度为785纳米，采用矩形截面（长195nm，宽104nm），通过改变矩形的旋转角度来精确调控相位 14141414。这种设计不仅实现了高数值孔径（NA 0.8-1.0），还利用硅材料的高折射率对比度，确保了在光刻胶浸没环境下的耐用性。
3. 空间光调制器（SLM）的动态赋能：仅仅有阵列还不够。系统在光路前端引入了空间光调制器（SLM），充当“光开关”和“灰度控制器”。它能独立控制这12万个焦点的明暗与强度，配合独特的自适应元光刻（AML）算法，实现了对非周期性复杂结构的并形打印 。
技术性能实测与核心指标
1. 分辨率测试：亚衍射极限的精准控制研究团队通过空间光调制器（SLM）对激光强度进行精细的灰度调控，在亚阈值（Sub-threshold）区域测试了分辨率极限。实验结果显示，打印的悬空纳米线最小侧向线宽为113纳米（轴向为262纳米），且不同超透镜间的线宽标准差仅为16.5纳米（重复实验10次）。这一结果不仅达到了传统单焦点TPL的精度水平（通常为100~150纳米），更证明了该系统在实现大规模并行化的同时，保持了极高的制造一致性。
2. 大面积拼接：微米级步进消除宏观误差在拼接质量测试中，团队并未采用传统的大范围机械扫描，而是利用每个超透镜仅负责其下方100微米或200微米子区域的策略。通过高精度压电平台在微小行程内的移动，系统有效消除了长程累积误差，将子视场间的拼接误差控制在100纳米以内，实现了肉眼不可见的无缝过渡。此外，针对阵列光强不均的问题，团队开发了基于“像素级校准”的灰度补偿算法，确保了全场12万个焦点的打印一致性。
3. 制造速率：亿级体素的吞吐量飞跃在制造速率方面，该系统的峰值吞吐量达到了1.2亿体素每秒（1.2 X108 voxels/s），覆盖范围可达12平方厘米（约2英寸晶圆大小）。相比之下，传统单焦点TPL受限于视场和机械扫描速度，实际吞吐量往往受限；而现有的多焦点全息TPL技术通常面临计算全息图生成慢和邻近效应的瓶颈。LLNL的超透镜阵列方案通过全并行直写，在保持亚微米分辨率的同时，实现了比传统光刻技术高出数个数量级的有效吞吐量。
核心优势深度分析
1. 突破性的并行度与可扩展性。超透镜阵列技术最直观的优势在于其惊人的并行处理能力。系统集成了约12万个独立控制的微型超透镜（100微米单元），这在数量级上远超现有的多焦点扫描系统 。这种并行化设计并非简单的数量堆叠，而是通过消除传统笨重的物镜，使得并行度具有了线性可扩展性——理论上，只要增加晶圆面积，就能在不牺牲分辨率的前提下，将焦点数量扩展至百万级 。
2. 解耦“分辨率-视场”矛盾（12 cm² 写入面积）。传统TPL技术受限于显微物镜的视场（FOV），通常仅能在几百微米的范围内进行高精度打印 。若要制造大尺寸物体，必须进行成千上万次机械拼接，极易引入误差。 本技术通过“化整为零”的策略，利用12万个微透镜在12平方厘米的宏观区域内同时作业 。每个透镜仅负责其下方微米级的区域，通过短程高精度压电移动实现无缝拼接 。这种架构彻底打破了传统光学中“高NA必低FOV”的限制，使得晶圆级微纳制造成为可能。
3. 光学架构的极简与独立性。与依赖复杂光路的全息多焦点系统（Holographic Multi-focus TPL）不同，超透镜阵列采用非成像（Non-imaging）光学架构 。它不需要傅里叶透镜或复杂的相位调制光路，而是直接利用超表面实现波前整形。 更关键的是焦点的独立性：在全息系统中，生成多个焦点往往伴随着复杂的干涉计算和光强不均，且焦点间距过近会导致邻近效应（Proximity Effect），引发过度固化 。而超透镜阵列中，每个透镜的光场是物理隔离的，互不干扰，配合SLM的灰度控制，可以确保每个焦点的能量分配高度均匀且独立可调 。
与竞争技术的横向对比
1. 对比传统单焦点 TPL：速度与精度的取舍。
分辨率优势：传统单焦点技术仍是精度的王者，其分辨率最高可达 50 nm，优于超透镜阵列的 113 nm。
速度劣势：然而，两者在吞吐量上存在数量级的差异。单焦点系统的体积速率仅为 0.001 – 0.01 mm3/h，而超透镜阵列系统则达到 0.05 – 5mm3/h。
定位差异：超透镜阵列的速度是单焦点的 500 至 5000 倍。这决定了单焦点技术将继续统治小尺寸、极高精度的科研样品制备，而超透镜阵列则填补了中等精度、中等尺寸功能器件的制造空白。
2. 对比全息多焦点 TPL：光子效率与算力的博弈。
焦点数量：全息方法虽然灵活，但受限于空间光调制器（SLM）的分辨率，其独立焦点数量通常不超过 1万个，仅为超透镜阵列（12万个）的 1/12。
计算瓶颈：生成高质量全息图依赖复杂的迭代算法，难以实现实时打印，而超透镜阵列通过物理掩模规避了这一算力瓶颈。
光学效率：全息系统的总体光学效率通常在 20% – 40% 之间，低于超透镜阵列的 49.3%，这意味着后者在能量利用上更为经济。
3. 对比投影式光片 TPL：成本与应用场景的错位。
速度优势：投影式光片技术代表了极速路线，其通过时空聚焦技术实现面投影打印，体积速率可达 10 mm³/h，在峰值吞吐量上优于当前的超透镜阵列。
成本与代价：但这种速度是用昂贵的硬件换来的，系统依赖高功率飞秒激光再生放大器，核心光源成本高达 20万至50万美元。
视场与局限：尽管其分辨率也能达到 亚微米级（约 140-175 nm），与超透镜阵列处于同一梯队，但其单次曝光视场极小（通常远小于 1 mm²）。
应用错位：这种“小视场、需拼接”的特性，使其难以满足大面积光子芯片对无缝连接的严苛要求，因此更适合对拼接缺陷不敏感的生物医学支架和微流控领域；而超透镜阵列凭借大面积无缝光刻的能力，成为光子学和超材料制造的更优解。
技术传承与演进
论文第一作者谷松韵博士现为LLNL博士后研究员，该研究延续了他在高通量TPL技术上的深厚积累。2022年，在香港中文大学陈世祈教授研究组读博期间，谷松韵在《Science》发表了飞秒激光图案化与动力学调控材料组装相结合的快速3D纳米制造方法。此次发表的超透镜阵列研究，是谷博士在并行TPL技术路线上的又一次重大突破。从计算全息到超透镜阵列，研究团队始终致力于探索不同的技术路径来解决高通量纳米制造的核心难题。
谷松韵博士（正中）与香港中文大学团队的合影
结语
谷松韵博士及其团队的超透镜阵列并行3D纳米打印技术是该领域的重要里程碑。从科学贡献看，这是突破性进展：首次实现12万焦点并行TPL，证明超透镜在高精度制造中的可行性。从工程成熟度看，色散补偿、系统集成等关键挑战仍需进一步优化，但技术路径已经清晰。产业化前景值得期待：在光子封装、超材料、微流控等特定细分市场具有独特优势，5到10年内有望实现规模应用。
参考资料：
Gu, S., Mao, C., Guell Izard, A., Sadana, S., Terrel-Perez, D., Mettry-Yassa, M., Choi, W., Zhou, W., Yan, H., Zhou, Z., Massey, T., Abelson, A., Zhou, Y., Huang, S., Daraio, C., Tumkur, T. U., Fan, J. A., & Xia, X. (2025). 3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination. Nature, 648, 591–599.
