物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）趙圓圓/段宣明教授團(tuán)隊在Nature Communications發(fā)表論文：首次闡明雙光子吸收量子機(jī)制
暨南大學(xué)融媒體中心訊 近日，暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)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(tuán)隊在光學(xué)超衍射納米加工領(lǐng)域取得重要突破。該團(tuán)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(xué)為第一完成單位，梁紫鑫博士、趙圓圓副教授、陳經(jīng)濤博士，以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。
文章標(biāo)題頁截圖
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(xué)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的TPA技術(shù)使用高強(qiáng)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(xué)交聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)三維納米加工。然而，高強(qiáng)度聚焦激光束不僅會引發(fā)不必要的高階非線性光學(xué)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(xué)理論的雙光子效應(yīng)研究范式，研究團(tuán)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(jī)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(jī)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(jī)制突破傳統(tǒng)波動光學(xué)理論衍射極限的可行性。
時間依存雙光子吸收量子機(jī)制
運(yùn)用雙光子吸收量子機(jī)制，研究團(tuán)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(xué)投影光刻（TPDOPL）實驗系統(tǒng)，開展了雙光子吸收量子機(jī)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(tuán)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(yuǎn)低于傳統(tǒng)光學(xué)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(tuán)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(jìn)行交替曝光，能夠在不違反光學(xué)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(tuán)隊成功制造了周期為210納米（相當(dāng)于波長的0.41倍）的密集線陣列，這一周期遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光學(xué)曝光技術(shù)能夠達(dá)到的極限。
雙光子數(shù)字光學(xué)投影光刻系統(tǒng)示意圖及模擬與實驗加工結(jié)果
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(xué)提供了新思路，也將為發(fā)展基于新原理的超衍射光學(xué)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(xué)領(lǐng)域，可用于高性能的光學(xué)波導(dǎo)和微環(huán)諧振器制造；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)能夠制造出用于細(xì)胞培養(yǎng)和病毒檢測的微流體芯片，為生物醫(yī)學(xué)研究提供新的工具。研究團(tuán)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(jìn)一步優(yōu)化，該技術(shù)有望用于10納米以下的納米制造領(lǐng)域，甚至在單分子成像方面也展現(xiàn)出潛力。
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(xué)基金項目、廣州市重點領(lǐng)域研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金等項目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57390-9
責(zé)編：陳國瓊