双光子聚合（Two-photon Polymerization, TPP）技术，凭借其高达约百纳米的精细分辨率，已经成为3D纳米加工领域的一项关键技术。然而，传统的双光子聚合打印系统大多采取逐点扫描的串行打印方式，这种方式由于打印效率受限，在工业应用中受到了显著的制约。而基于飞秒激光的时空域聚焦技术所开发的面投影打印技术(Femtosecond Projection Printing, FP)，能够显著提高3D纳米打印的速度，使得快速且连续的3D纳米打印在工业上的应用成为可能。因此，本文将深入探讨飞秒激光的时空域聚焦技术，解析这一技术如何实现3D纳米打印过程的加速，并揭示其背后的技术原理。
飞秒激光简介
首先，要理解时空域聚焦（Spatial-Temporal Focusing）技术，我们需要对飞秒激光（Femto-second laser）有初步的了解。
飞秒激光是指由飞秒激光器产生的，脉冲宽度在飞秒尺度(~10-15s)的脉冲光序列，这种序列中的每一个光脉冲持续时间极为短暂。
在时间域上，由于飞秒激光脉冲宽度极窄，在单脉冲能量不变的前提下，根据功率公式(P=E/t），我们可以得出飞秒激光具有极高的峰值功率。这种高峰值功率使得飞秒激光与物质相互作用时表现出独特的物理和化学特性。此外，飞秒激光的极短脉冲时间也意味着它可以在不产生热影响区域的情况下对材料进行加工，可以有效避免热效应的积累对打印质量产生影响[4]（通常材料的热弛豫时间在纳秒(10-9s) 至皮秒(10-12s)级别）。这一特性使得飞秒激光在精密加工领域得到了广泛应用。
在频域上，飞秒激光具有宽光谱的特性。这是因为时间域和频域之间存在傅里叶变换的关系，当时间尺度越小，对应的谱宽就越大。然而，仅仅满足宽光谱并不能产生超短脉冲，这还需要一些复杂的技术，比如飞秒激光锁模技术。由于篇幅有限，我们在此不展开对这些技术的讨论。为了直观地理解之后介绍的时域聚焦技术，我们只需要记住一个最重要的产生飞秒超短脉冲的必要条件：所有的光谱成分必须在空间上重叠。
多光子光刻技术(Multiphoton Lithography) 简介
多光子光刻（也称作激光直写）类似于标准的光刻(Photolithography)技术，通过利用特定波长的光束对正光刻胶或者负光刻胶进行曝光实现结构的打印。不同的是，该技术不需要使用掩膜板，可以极大地提高该项技术在微纳制造领域的快速成型效率，可以用于实现亚微米分辨率复杂3D结构打印。
双光子聚合技术简介(Two-photon polymerization)
双光子聚合技术是多光子光刻技术的一个分支，其核心物理原理是飞秒激光脉冲与光敏树脂的相互作用过程中产生的双光子吸收（Two photon absorption, TPA），这是一种非线性过程。只有当激光的强度超过了树脂的聚合阈值，激光的焦点附近才会触发光固化过程，将液态的树脂转化为固态（如下图所示）。随后，通过一系列后续处理过程，液态材料被去除，从而实现预设的3D结构打印。目前，该项技术已经广泛用于打印各种微纳3D结构，譬如用于打印集成光学中的各种器件，包括波导、光子晶体、超材料等；此外，还可以用于微流控器件、光存储芯片以及量子光芯片的打印等广泛应用场景之中[5-10]。
时空域聚焦技术概述
飞秒激光的时空域聚焦技术，最初是在2005年由科学家Chirs Xu[1]和Yaron Silberberg[2]分别独立提出的。此技术的提出，旨在解决双光子荧光显微镜在成像速度上的问题。通过把原本针对生物样品的点激发方式，转变为面激发荧光，实现了体成像的快速化。
域聚焦的基本原理如上图所示，和传统的透镜聚焦方式一样，空间聚焦仍然通过使光线穿过物镜实现，但是，时域聚焦技术在空间上并未保持所有光谱成分的重合。首先，我们通过某种手段（例如色散元件）将飞秒激光在空间上分散（此时，飞秒脉冲产生的第一个条件并未满足）。然后，我们通过物镜将所有的光谱成分再次在空间上聚焦，同时在透镜的后焦面，所有的光谱成分无啁啾（所有的光谱同时到达焦面）。因此，根据飞秒激光产生的条件，这时就可以在透镜的后焦面实现最短的飞秒脉冲。
下图可以更直观地描述时域聚焦技术相比于空间聚焦技术的最大优势：大面积激发。
图a呈现的是传统的双光子激发技术。在这种技术中，一束超短脉冲被空间聚焦至单一焦点，从而在该点产生高峰值光强。然而，当这个脉冲穿过某些样品（比如光刻胶）时，其持续时间几乎保持不变。如果光强足够强，那么在焦点上下的区域可能会发生光固化。转向图b，它展示了时域聚焦对时间脉冲宽度Δt和空间上光斑面积的影响。首先，我们可以看到焦面附近的光斑照亮面积比空间聚焦方式的光斑大小要大数个数量级，这就是所谓的面激发。其次，当脉冲在样品中传播时，脉冲宽度会展宽，只有在焦平面处才能达到峰值，而在焦面前后，脉冲都会被拉伸。这导致此时的激光脉冲宽度并非最窄，因此无法实现双光子激发，这极大地提高了在轴向上打印的精度。
技术实现
最初，时域聚焦技术的实现是通过使用光栅来分离飞秒激光的光谱，接着通过一个4-f系统将光栅与物镜的后焦面实施共轭，从而将光栅投影至样品面。然而，这种方法的光栅是静态的，无法实现图案的动态切换，因此最初的提出仅限于双光子成像领域，只可用于实现快速的面激发双光子成像。
随后，香港中文大学陈世祈教授团队对该技术进行了进一步探索和改进，他们首创性地将数字微阵列器件（Digital Micro-mirror Device, DMD）融入时域聚焦系统中。由于DMD本身就是一种二维光栅元器件，因此它对飞秒光的影响与光栅类似，存在色散作用。更为重要的是，DMD还可以作为一个动态可编程器件，实现多样化图案的投影，其主要的光路示意图如下图所示。
陈世祈教授团队在推进新方案的过程中，主要面临的挑战是飞秒激光的稳定性控制以及严苛的环境管理。高能激光的操作需要严格的环境条件控制，任何微小的偏差或不稳定都可能导致打印过程中出现错误，甚至可能导致打印结果的失败。为了解决这个问题，他们利用了一系列高精度设备，例如高精度位移平台，严格的实验室环境，以及规范的后期处理流程，使得高精度打印成为可能。
另一方面，飞秒激光的色散控制也是一个重要的挑战。在打印过程中，如果不能有效地控制色散，将直接影响到打印的分辨率。为了解决这个问题，陈世祈教授团队的成员们通过大量的实验和仿真模拟，优化并完善了整个系统，实现了基于时域聚焦原理的打印过程。这一创新性的成果在2019年发表于《科学》杂志上，得到了广泛的认可和多项荣誉。
以下是基于该系统打印的一些最新实验结果图，可以看出，在运用该项技术进行打印的时候，在提高打印速度的同时，不牺牲打印的分辨率，其相比同样的商业打印系统而言，具有极强的竞争优势。
结语
飞秒激光时空域聚焦技术，起源于双光子荧光成像领域，已经逐步应用到3D纳米加工技术中，并且仍在不断研究和进步中。该项技术相比于传统的点激发技术来说，它可以实现整个面激发。同时，该项技术在陈世祈教授团队的不断改进和创新之下，可以实现可定制化的快速3D结构成型。这种技术方案的广泛适用性和其能极大提高打印速度的优势，同时保持打印分辨率，让我们对未来这项技术的广泛应用寄予厚望。
参考资料
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