【產(chǎn)通社，5月10日訊】暨南大學（Jinan University）官網(wǎng)消息，物理與光電工程學院趙圓圓/段宣明教授聯(lián)合中科院理化技術(shù)研究所鄭美玲研究員團隊，近期在光學超衍射納米加工領(lǐng)域取得重要突破。該團隊建立了雙光子吸收效應(yīng)時空量子模型，發(fā)展了一種全新的基于“少光子雙光子吸收”（fpTPA）光刻技術(shù)，在極弱光通量輻照下實現(xiàn)了超高分辨率納米打印，研究成果以“Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting”為題發(fā)表于國際頂尖期刊《Nature Communications》。暨南大學為第一完成單位，梁紫鑫博士、趙圓圓副教授、陳經(jīng)濤博士、及來自理化所董賢子副研究員為論文共同第一作者，段宣明教授、趙圓圓副教授，鄭美玲研究員為共同通訊作者。

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)域的非線性光學現(xiàn)象。傳統(tǒng)的TPA技術(shù)使用高強度聚焦激光束激發(fā)熒光分子實現(xiàn)三維熒光成像，或誘發(fā)局域化學交聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)三維納米加工。然而，高強度聚焦激光束不僅會引發(fā)不必要的高階非線性光學效應(yīng)，導(dǎo)致光毒性、光漂白和微爆炸等問題，還會限制其分辨率和效率提升。針對現(xiàn)有基于波動光學理論的雙光子效應(yīng)研究范式，研究團隊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、隨機概率統(tǒng)計等光量子特性構(gòu)筑了雙光子吸收過程的量子圖像，建立了少光子輻照下的雙光子吸收時空量子模型，闡明了雙光子吸收的時間依存量子機制。模擬計算結(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)，其半高全寬被壓縮至數(shù)納米，證明了利用雙光子吸收量子機制突破傳統(tǒng)波動光學理論衍射極限的可行性。

運用雙光子吸收量子機制，研究團隊提出了一種全新的“少光子輻照雙光子吸收”（fpTPA）技術(shù)方案，研制了雙光子數(shù)字光學投影光刻（TPDOPL）實驗系統(tǒng)，開展了雙光子吸收量子機制驗證與應(yīng)用探索。該系統(tǒng)利用數(shù)字微鏡器件（DMD）作為數(shù)字掩膜，能夠靈活地將飛秒脈沖激光生成任意圖案，將其投影到光刻膠上實現(xiàn)納米光刻。通過精確控制光子通量和脈沖累積次數(shù)，研究團隊成功實現(xiàn)了26納米的最小特征尺寸，這一尺寸僅為波長的二十分之一，遠低于傳統(tǒng)光學曝光技術(shù)的分辨率極限。

與傳統(tǒng)的逐點激光直寫技術(shù)相比，TPDOPL技術(shù)的吞吐量提高了幾個數(shù)量級，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)大面積的納米結(jié)構(gòu)制造。此外，研究團隊還提出了一種原位多次曝光技術(shù)（iDME），通過在DMD上加載多個圖案并進行交替曝光，能夠在不違反光學衍射極限的情況下實現(xiàn)高密度圖案的制造。例如，通過兩次交替曝光，研究團隊成功制造了周期為210納米（相當于波長的0.41倍）的密集線陣列，這一周期遠低于傳統(tǒng)光學曝光技術(shù)能夠達到的極限。

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性光學提供了新思路，也將為發(fā)展基于新原理的超衍射光學技術(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；在光學領(lǐng)域，可用于高性能的光學波導(dǎo)和微環(huán)諧振器制造；在生物醫(yī)學領(lǐng)域，該技術(shù)能夠制造出用于細胞培養(yǎng)和病毒檢測的微流體芯片，為生物醫(yī)學研究提供新的工具。研究團隊指出，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)域帶來了新的希望。通過進一步優(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。

該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、“廣東特支計劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國家自然科學基金項目、廣州市重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、廣東省自然科學基金等項目的支持。

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https://www.nature.com/articles/s41467-025-57390-9。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）