双光子吸收量子机制，突破光学纳米打印分辨率和效率极限

近日，暨南大学物理与光电工程学院的研究团队，首次阐明了双光子吸收的时间相关量子机制，并提出了一种基于少光子辐照的双光子吸收（fpTPA）光学纳米打印技术，成功突破了传统双光子打印技术的瓶颈，实现了高分辨率与高效率的完美结合。

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，超低光流密度下双光子吸收概率可被压缩至数纳米尺度范围，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。

 

双光子吸收的时间相关量子机制原理图

研究团队利用数字光学投影纳米光刻技术（TPDOPL），结合少光子辐照技术，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5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纳米以下纳米制造和甚至单分子成像。

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。

论文信息：

Zi-Xin Liang, Yuan-Yuan Zhao, Jing-Tao Chen, Xian-Zi Dong, Feng Jin, Mei-Ling Zheng, Xuan-Ming Duan. Two-photon absorption under few-photon irradiation for optical nanoprinting. Nature Communications 16, 2086 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57390-9