雙光子聚合（TPP）因其高解析度（達亞100納米尺度）已成為3D納米製造領域的關鍵技術。然而，傳統TPP打印系統通常依賴逐點串行掃描，嚴重限制吞吐量並對工業應用造成挑戰。
相比之下，基於飛秒激光時空聚焦的飛秒投影打印（FP）技術實現突破，大幅提升3D納米打印速度，實現快速持續的製造，鋪平工業規模應用道路。
本文深入探討飛秒激光時空聚焦原理，說明該技術如何加速3D納米打印過程，並揭秘實現該技術的核心技術。
飛秒激光介紹
理解時空聚焦技術，必須先了解飛秒激光的基本概念。
什麼是飛秒激光？
飛秒激光產生一連串脈衝，每個脈衝持續時間極短，約為飛秒（~10⁻¹⁵秒）級別。每個脈衝僅持續極短時間。
在時間域內，因脈衝寬度極短，飛秒激光在相同能量下展現極高峰值功率（P=E/t）。此高峰值功率引發激光與材料間獨特的物理與化學反應。此外，因脈衝時間短，飛秒激光對材料造成的熱效應甚微，避免熱量積累損害打印質量。此點尤其重要，因多數材料的熱弛豫時間為納秒（10⁻⁹秒）到皮秒（10⁻¹²秒）級別，故飛秒激光特別適合精密微納米製造。
在頻率域內，飛秒激光擁有寬闊光譜帶。基於傅立葉轉換理論，脈衝越短，光譜帶越寬。但寬頻譜本身不保證超短脈衝，穩定的飛秒脈衝還需複雜技術如鎖模。本文因篇幅限制，不詳述。
理解將介紹的時域聚焦的關鍵在於：飛秒脈衝所有光譜成分須在空間上重疊形成真正的超短脈衝。
多光子光刻技術(Multiphoton Lithography) 簡介
多光子光刻（也稱作激光直冩）類似於標準的光刻(Photolithography)技術，通過利用特定波長的光束對正光刻膠或者負光刻膠進行曝光實現結構的打印。不同的是，該技術不需要使用掩膜闆，可以極大地提高該項技術在微納製造領域的快速成型效率，可以用於實現亞微米分辨率複雜3D結構打印。
雙光子聚合技術簡介(Two-photon polymerization)
雙光子聚合技術是多光子光刻技術的一個分支，其核心物理原理是飛秒激光脈衝與光敏樹脂的相互作用過程中産生的雙光子吸收（Two photon absorption, TPA），這是一種非線性過程。隻有當激光的強度超過了樹脂的聚合閾值，激光的焦點附近才會觸髮光固化過程，將液態的樹脂轉化爲固態（如下圖所示）。隨後，通過一繫列後續處理過程，液態材料被去除，從而實現預設的3D結構打印。目前，該項技術已經廣泛用於打印各種微納3D結構，譬如用於打印集成光學中的各種器件，包括波導、光子晶體、超材料等；此外，還可以用於微流控器件、光存儲芯片以及量子光芯片的打印等廣泛應用場景之中[5-10]。
什麼是雙光子聚合（TPP）？
雙光子聚合是多光子光刻的特殊分支，機理基於雙光子吸收（TPA），為飛秒激光脈衝與光敏樹脂相互作用中的非線性光學過程。僅當激光強度超過樹脂聚合閾值，聚合才會準確發生於焦點附近，將液態樹脂轉為固體結構（如圖所示）。
後續經顯影處理，未曝光液態樹脂被去除，留下3D微納米結構。TPP被廣泛用於製造多種3D微結構，應用涵蓋集成光學（波導、光子晶體、超材料）、微流控裝置、光存儲芯片甚至量子光子芯片等多種先進用途。
時空聚焦概述
飛秒激光時空聚焦於2005年由Chris Xu和Yaron Silberberg科學家獨立提出。此技術最初解決雙光子熒光顯微鏡速度瓶頸，將傳統逐點激發轉為基於平面的激發，大幅提升體積成像速度。
如圖示，時空聚焦基本原理與傳統空間聚焦相似，激光透過物鏡聚焦。但不同於傳統維持光譜成分空間重疊，時空聚焦故意引入光譜色散。
首先，激光脈衝通過色散元件（如光柵或棱鏡）空間色散，暫時不符合飛秒脈衝形成條件。光譜成分隨後由物鏡重新聚焦。於後焦面，所有頻率成分同時無啁啾抵達，完成飛秒脈衝形成。此配置使脈衝最短持續時間精確出現在焦平面。
下圖清晰展示時空聚焦相比純空間聚焦的關鍵優勢：實現大面積激發。
圖a示傳統雙光子激發法，超短脈衝聚焦於單點，焦點處峰值強度極高。然而脈衝通過某介質（如光阻）時，時間持續近不變。若強度過高，聚合可能在焦點前後發生，降低軸向精度。
圖b示時空聚焦對脈衝寬度（Δt）與照射區域影響，焦點平面附近激發點尺寸遠大於空間聚焦，實現平面（大面積）激發。脈衝傳播時時間展寬，僅焦點處壓縮至最短並達峰值，焦點外因脈衝展寬難達吸收閾值，大幅提升軸向解析度並減少非欲聚合。
技術實現
最初通過光柵空間色散飛秒脈衝光譜，後接4-f光學系統將光柵轉換至物鏡後焦面，將光柵投射至樣本面。然原系統光柵為靜態，無法支持動態圖案切換，應用限於雙光子成像，僅具快速平面激發功能。
後續發展
香港中文大學陳世奇教授團隊創新結合數字微鏡裝置（DMD）於時空聚焦系統。作為二維衍射光學元件，DMD自帶光譜色散功能，效果類似傳統光柵。更重要的是，DMD為動態可編程元件，實現多樣靈活圖案投影。此突破性變革使時空聚焦技術由靜態成像轉向動態投影打印系統。系統光學配置如示意圖所示。
系統實施的挑戰與突破
陳世奇教授團隊在新系統開發過程中面臨兩大挑戰：飛秒激光穩定性與嚴苛的環境控制。高能激光運行需嚴格環境條件，微小波動或不穩定會導致打印過程重大錯誤，甚至整體失敗。
為此，團隊採用超精密位移台、環境控製實驗室及標準化後處理流程，成功實現超高解析度打印。
另一大難題為飛秒激光色散控制，色散管理不佳直接影響可達解析度。團隊通過大量實驗與模擬，基於時域聚焦原理優化系統與打印流程。
此創新成果於2019年發表於《科學》，獲得廣泛認可和多項獎勵。
以下圖片展示部分使用該系統取得的最新實驗成果，證明打印速度可在不損失解析度前提下顯著提升，具較商業3D納米打印系統強大競爭優勢。
結論
源自雙光子熒光成像領域的飛秒激光時空聚焦，逐步擴展至3D納米製造領域，並持續通過研究與創新推進。相比逐點激發方法，本技術可達大面積（平面）激發，顯著提升處理效率。
在陳世奇教授團隊不斷精進創新下，該技術現已支持可定制、高速3D結構製作。其廣泛應用與高速打印能力而不損解析度，使其成為先進納米製造未來頗具前景的解決方案。
参考资料
[1] Zhu, Guanghao, et al. “Simultaneous spatial and temporal focusing of femtosecond pulses.” Optics express 13.6 (2005): 2153-2159.
[2] Oron, Dan, Eran Tal, and Yaron Silberberg. “Scanningless depth-resolved microscopy.” Optics express 13.5 (2005): 1468-1476.
[3] S.K. Saha, D. Wang, V.H. Nguyen, Y. Chang, J.S. Oakdale, S. Chen, “Scalable Submicrometer Additive Manufacturing,” Science, Vol. 366, No. 6461, pp. 105-109, 2019.
[4] Sugioka K, Cheng Y. Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing[J]. Light: Science & Applications, 2014, 3(4): e149-e149.
[5] Gansel, Justyna K., et al. “Gold helix photonic metamaterial as broadband circular polarizer.” science 325.5947 (2009): 1513-1515.
[6] Watanabe, Wataru, et al. “Wavelength division with three-dimensional couplers fabricated by filamentation of femtosecond laser pulses.” Optics letters 28.24 (2003): 2491-2493.
[7] Skryabin, N. N., et al. “Two-qubit quantum photonic processor manufactured by femtosecond laser writing.” Applied Physics Letters 122.12 (2023).
[8] Piacentini, Simone, et al. “Advanced photonic and optofluidic devices fabricated in glass via femtosecond laser micromachining.” Optical Materials Express 12.10 (2022): 3930-3945.
[9] Lyu W, An J, Lin Y, et al. Fabrication and applications of heterostructure materials for broadband ultrafast photonics[J]. Advanced Optical Materials, 2023, 11(12): 2300124.
[10] Liu H, Lin W, Hong M. Hybrid laser precision engineering of transparent hard materials: challenges, solutions and applications[J]. Light: Science & Applications, 2021, 10(1): 162.
[11] Han, Fei, et al. “Three-dimensional nanofabrication via ultrafast laser patterning and kinetically regulated material assembly.” Science 378.6626 (2022): 1325-1331.
