大家好！今天和大家一起来了解一项光学纳米打印技术——少光子照射下的双光子吸收技术——《Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting》发表于《nature communications》。这可不是一般的技术，它在光学纳米打印领域掀起了一阵创新风暴，能让微小的结构打印变得又快又精准。下面就跟着我一起深入了解下吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、双光子吸收的应用与困境
双光子吸收（TPA）应用可广泛啦，像三维成像、纳米打印都有它的身影。它基于量子力学原理，最初由MariaGöppert-Mayer基于狄拉克色散理论研究出来的。一般来说，光活性材料的TPA速率和光强度的平方成正比。在双光子光刻（TPL）技术中，常用飞秒激光直写来制造各种纳米到微米级别的2D、3D结构，在微电子、光学、生物医学等领域大显身手。
不过，TPL也有自己的“烦恼”。为了达到足够高的TPA效率，聚焦激光的峰值强度特别高，光子辐照度也大得惊人。这就容易引发高阶非线性光学过程，像光漂白、微爆炸这些问题，还会让工艺窗口变窄。而且TPA只发生在聚焦激光光斑的小区域，加工效率不高。虽然多焦点技术能改善一些，但飞秒激光直写逐点写入的方式，对制造多尺度结构还是不太给力。
二、新突破：少光子照射下的双光子吸收
为了攻克这些难题，研究人员提出了少光子照射下的双光子吸收（fpTPA）这个全新概念。它基于光的波粒二象性、不确定性原理和飞秒激光脉冲中的光子分布等原理，建立了时空模型，用来精确描述超低光子辐照度下TPA的时间相关机制。
通过这个模型模拟，能确定不同光子辐照度下有效TPA（eTPA）的概率和分布。打个比方，就好像给光子的行为做了个“规划图”，让我们清楚知道它们在不同情况下的“行动路线”。比如说，研究发现TPA的概率和分子虚拟态的寿命密切相关，当两个光子到达的时间间隔小于虚拟态寿命时，分子就能同时吸收这两个光子，发生有效TPA。
三、双光子光学投影纳米光刻技术（TPDOPL）
为了验证fpTPA概念和时空模型，研究人员进行了TPDOPL实验。TPDOPL用数字微镜器件（DMD）当数字掩模，能大幅提高加工效率。实验选用了AR-N7520光刻胶，它的聚合程度在少光子照射下容易控制和量化。
在实验中，研究人员用飞秒脉冲激光照射DMD，再通过油浸物镜聚焦到光刻胶上。通过优化光子辐照度和脉冲累积数等参数，成功实现了超小特征尺寸的打印。像用517nm波长激光时，特征尺寸能达到26nm，相当于波长的1/20，而且图案周期做到了0.41λ，比之前的技术厉害多啦！
四、TPDOPL的实验成果与应用
（一）超高分辨率的实现
从图3能看到，通过改变光子辐照度密度和脉冲累积数，可以精确控制线条宽度。降低光子辐照度密度，线条宽度能从164nm减小到43nm，最小特征尺寸达到26nm。这是因为光和化学非线性的叠加和协同作用，让曝光区域中心的分子更快交联凝胶化，有效减小了特征尺寸。同时，研究还发现，虽然降低光子辐照度密度能减小特征尺寸，但可能会因量子噪声增加线条粗糙度；增加脉冲累积数则会使线条宽度变宽。
（二）密集结构图案化
传统光刻技术受衍射极限限制，相邻线条的最小可分辨距离有限。但TPDOPL结合原位数字多次曝光（iDME）技术，就能突破这个限制。iDME是一种数字双曝光技术，用计算机控制DMD生成低频、稀疏的“数字掩模”图案，交替进行双曝光，能让纳米图案密度翻倍，还避免了对准误差。利用这个技术，研究人员成功打印出周期为210nm（0.41λ）的密集线阵列，线宽150nm，间隙60nm，远超传统光刻的分辨率。
（三）多样化的应用
TPDOPL-iDME技术在很多领域都能“大显神通”。在光学器件制造方面，能制作出带有阵列波导光栅、微环谐振器等复杂结构的光学器件，通过调整微环半径和间隙，优化光子共振器件性能。在生物微流控领域，设计了各种微米到纳米尺度的复杂结构，像不同形状的细胞培养室、收集器，还有宽度从70nm到800nm的通道，能有效承载和分离不同大小的病毒，为研究病毒诊断和治疗方法提供了很棒的平台。
五、研究总结与展望
fpTPA概念和时空模型为理解TPA过程提供新视角，TPDOPL实验结果与模拟相符，证明了该技术在突破分辨率和效率权衡限制方面的有效性。结合fpTPA和iDME技术有望实现单分子成像和亚10纳米尺度的纳米打印。
今天的分享就到这里啦，希望大家对少光子照射下的双光子吸收技术有了新的认识！如果对这个研究感兴趣，可以去看看原文哦。记得点赞、分享，让更多人了解这些有趣的科学知识！
六、一起来做做题吧
1、关于双光子吸收（TPA），下列说法正确的是？
A. TPA 仅能应用于三维成像领域
B. TPA 过程中两个光子是通过真实状态吸收的
C. TPA 速率与光强度成正比
D. TPA 可应用于非线性光谱学、荧光显微镜等多个领域
2、传统双光子光刻（TPL）存在的问题不包括以下哪一项？
A. 高光子辐照度易引发高阶非线性光学过程
B. 加工效率高但分辨率低
C. TPA 仅发生在聚焦激光光斑的小区域，导致低通量
D. 飞秒激光直写逐点写入方式不利于制造多尺度结构
3、少光子照射下的双光子吸收（fpTPA）概念基于以下哪些原理？
A. 仅光的波粒二象性
B. 光的波粒二象性、不确定性和光子分布在飞秒激光脉冲中的原理
C. 仅不确定性原理
D. 仅光子分布在飞秒激光脉冲中的原理
4、在 TPDOPL 实验中，选择 AR - N7520 光刻胶的原因是？
A. 它价格便宜
B. 其聚合程度在少光子照射下容易控制和量化
C. 它在任何波长下都能发生 TPA
D. 它的曝光时间短
5、关于 TPDOPL - iDME 技术，下列说法错误的是？
A. 该技术可以突破衍射极限进行密集结构图案化
B. 它是一种数字双曝光技术，可避免对准误差
C. 只能用于制作光学器件，不能用于其他领域
D. 通过优化曝光参数和布局设计，可控制线条宽度、周期和间隙距离
参考文献：
Liang, ZX., et al. Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting. Nat Commun 16, 2086 (2025).
