近日，暨南大学物理与光电工程学院（理工学院）赵圆圆/段宣明教授联合中科院理化技术研究所郑美玲研究员团队在光学超衍射纳米加工领域取得重要突破。该团队建立了双光子吸收效应时空量子模型，发展了一种全新的基于“少光子双光子吸收”（fpTPA）光刻技术，在极弱光通量辐照下实现了超高分辨率纳米打印，研究成果以“Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting”为题发表于国际顶尖期刊Nature Communications。暨南大学为第一完成单位，梁紫鑫博士、赵圆圆副教授、陈经涛博士，以及来自理化所董贤子副研究员为论文共同第一作者，段宣明教授、赵圆圆副教授，郑美玲研究员为共同通讯作者。

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 双光子吸收（TPA）是一种广泛应用于三维荧光成像和纳米结构加工领域的非线性光学现象。传统的TPA技术使用高强度聚焦激光束激发荧光分子实现三维荧光成像，或诱发局域化学交联反应实现三维纳米加工。然而，高强度聚焦激光束不仅会引发不必要的高阶非线性光学效应，导致光毒性、光漂白和微爆炸等问题，还会限制其分辨率和效率提升。针对现有基于波动光学理论的双光子效应研究范式，研究团队从量子理论基本原理出发，利用波粒二象性、叠加态、不确定性原理、随机概率统计等光量子特性构筑了双光子吸收过程的量子图像，建立了少光子辐照下的双光子吸收时空量子模型，阐明了双光子吸收的时间依存量子机制。模拟计算结果表明，在高度聚焦的少光子飞秒激光脉冲辐照下，双光子吸收概率呈现出与传统高斯分布完全不同的分布状态，其半高全宽被压缩至数纳米，证明了利用双光子吸收量子机制突破传统波动光学理论衍射极限的可行性。

时间依存双光子吸收量子机制

 运用双光子吸收量子机制，研究团队提出了一种全新的“少光子辐照双光子吸收”（fpTPA）技术方案，研制了双光子数字光学投影光刻（TPDOPL）实验系统，开展了双光子吸收量子机制验证与应用探索。该系统利用数字微镜器件（DMD）作为数字掩膜，能够灵活地将飞秒脉冲激光生成任意图案，将其投影到光刻胶上实现纳米光刻。通过精确控制光子通量和脉冲累积次数，研究团队成功实现了26纳米的最小特征尺寸，这一尺寸仅为波长的二十分之一，远低于传统光学曝光技术的分辨率极限。与传统的逐点激光直写技术相比，TPDOPL技术的吞吐量提高了几个数量级，能够在短时间内实现大面积的纳米结构制造。此外，研究团队还提出了一种原位多次曝光技术（iDME），通过在DMD上加载多个图案并进行交替曝光，能够在不违反光学衍射极限的情况下实现高密度图案的制造。例如，通过两次交替曝光，研究团队成功制造了周期为210纳米（相当于波长的0.41倍）的密集线阵列，这一周期远低于传统光学曝光技术能够达到的极限。

双光子数字光学投影光刻系统示意图及模拟与实验加工结果

 该研究工作从基础的光量子特性视角重新审视双光子吸收效应，不仅为超微弱光非线性光学提供了新思路，也将为发展基于新原理的超衍射光学技术及其在相关领域的前沿应用提供巨大潜力。在微电子领域，该技术可用于高集成度芯片制备；在光学领域，可用于高性能的光学波导和微环谐振器制造；在生物医学领域，该技术能够制造出用于细胞培养和病毒检测的微流体芯片，为生物医学研究提供新的工具。研究团队指出，少光子辐照下的双光子吸收（fpTPA）技术的成功为纳米制造和纳米成像领域带来了新的希望。通过进一步优化，该技术有望用于10纳米以下的纳米制造领域，甚至在单分子成像方面也展现出潜力。

 该研究得到国家重点研发计划项目、“广东特支计划”科技创新领军人才、国家自然科学基金项目、广州市重点领域研发计划、广东省自然科学基金等项目的支持。

 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57390-9

图文：赵圆圆、段宣明

校对：杨嘉琳

责任编辑：邓玉萌

初审：肖艳芳

复审：孙玉环

终审发布：黄睿