2025年12月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的谷松韻博士在《Nature》期刊發表的最新研究，提出了基於超透鏡陣列的並行3D奈米列印平台。該系統利用100微米孔徑的微透鏡單元構建了包含超過12萬個焦點的陣列，在12平方公分面積上實現1.2億體素每秒的峰值製造速率，將大面積奈米製造的通量推向了新的高度。
傳統並行TPL技術的困境
雙光子聚合是目前最先進的3D奈米列印技術之一。其物理機制基於非線性光學效應：當飛秒雷射脈衝聚焦到光刻膠內部時，只有在焦點位置的光強足夠高才能觸發雙光子吸收，使材料發生聚合固化。這種「閾值效應」賦予了TPL獨特的三維加工能力和亞繞射解析度。
為提升製造速率，研究者開發了多種並行TPL方法，但都各有局限。多焦點全像列印可實現數百至數千個焦點同時列印，但計算全像圖需要疊代演算法，數據處理速率低，且焦點數量受限於空間光調製器的解析度。投影式光片曝光單層曝光速度快，但需要高功率雷射放大器，且光學視野通常小於1平方毫米。微透鏡陣列光學效率高、結構簡單，但色散補償困難，靈活性差。
所有基於固定視野的並行TPL技術都面臨同一問題：傳統方法採用「停止-曝光-移動-停止」的間歇式工作模式，頻繁啟停引入的機械振動帶來定位誤差，相鄰視野邊界處出現明顯的拼接線，移動和穩定時間佔總時間的20%到40%造成效率損失。
核心創新
谷松韻博士及其團隊的核心創新在於拋棄傳統顯微物鏡，設計了一套基於超表面（Metasurface）的光學系統。
1. 雙陣列策略： 研究團隊設計了兩種規格的超透鏡陣列以適應不同需求：
- 高通量型： 由 370 × 350 個透鏡組成，單透鏡孔徑100微米（NA 0.8），總焦點數超12萬，覆蓋12平方公分，專門用於大面積快速製造。
- 高解析型： 由 50 × 50 個透鏡組成，單透鏡孔徑200微米（NA 1.0），用於實現極致的列印精度。
2. 超透鏡設計細節： 不同於傳統透鏡，這些超透鏡基於幾何相位（Geometric Phase）原理設計。它們是在熔融石英基底上製造的多晶矽（Polycrystalline Silicon）奈米柱陣列。每個奈米柱高度為785奈米，採用矩形截面（長195nm，寬104nm），通過改變矩形的旋轉角度來精確調控相位。這種設計不僅實現了高數值孔徑（NA 0.8-1.0），還利用矽材料的高折射率對比度，確保了在光刻膠浸沒環境下的耐用性。
3. 空間光調製器（SLM）的動態賦能： 僅僅有陣列還不夠。系統在光路前端引入了空間光調製器（SLM），充當「光開關」和「灰度控制器」。它能獨立控制這12萬個焦點的明暗與強度，配合獨特的自適應元光刻（AML）演算法，實現了對非週期性複雜結構的並行列印。
技術性能實測與核心指標
1. 解析度測試： 亞繞射極限的精準控制
研究團隊通過空間光調製器（SLM）對雷射強度進行精細的灰度調控，在亞閾值（Sub-threshold）區域測試了解析度極限。實驗結果顯示，列印的懸空奈米線最小側向線寬為113奈米（軸向為262奈米），且不同超透鏡間的線寬標準差僅為16.5奈米（重複實驗10次）。這一結果不僅達到了傳統單焦點TPL的精度水平（通常為100~150奈米），更證明了該系統在實現大規模並行化的同時，保持了極高的製造一致性。
2. 大面積拼接： 微米級步進消除宏觀誤差
在拼接品質測試中，團隊並未採用傳統的大範圍機械掃描，而是利用每個超透鏡僅負責其下方100微米或200微米子區域的策略。通過高精度壓電平台在微小行程內的移動，系統有效消除了長程累積誤差，將子視野間的拼接誤差控制在100奈米以內，實現了肉眼不可見的無縫過渡。此外，針對陣列光強不均的問題，團隊開發了基於「像素級校準」的灰度補償演算法，確保了全場12萬個焦點的列印一致性。
3. 製造速率： 億級體素的吞吐量飛躍
在製造速率方面，該系統的峰值吞吐量達到了1.2億體素每秒，覆蓋範圍可達12平方公分（約2吋晶圓大小）。相比之下，傳統單焦點TPL受限於視野和機械掃描速度，實際吞吐量往往受限；而現有的多焦點全像TPL技術通常面臨計算全像圖生成慢和鄰近效應的瓶頸。LLNL的超透鏡陣列方案通過全並行直寫，在保持亞微米解析度的同時，實現了比傳統光刻技術高出數個數量級的有效吞吐量。
核心優勢深度分析
1. 突破性的並行度與可擴展性
超透鏡陣列技術最直觀的優勢在於其驚人的並行處理能力。系統整合了約12萬個獨立控制的微型超透鏡（100微米單元），這在數量級上遠超現有的多焦點掃描系統。這種並行化設計並非簡單的數量堆疊，而是通過消除傳統笨重的物鏡，使得並行度具有了線性可擴展性——理論上，只要增加晶圓面積，就能在不犧牲解析度的前提下，將焦點數量擴展至百萬級。
2. 解耦「解析度-視野」矛盾（12 cm² 寫入面積）
傳統TPL技術受限於顯微物鏡的視野（FOV），通常僅能在幾百微米的範圍內進行高精度列印。若要製造大尺寸物體，必須進行成千上萬次機械拼接，極易引入誤差。本技術通過「化整為零」的策略，利用12萬個微透鏡在12平方公分的宏觀區域內同時作業。每個透鏡僅負責其下方微米級的區域，通過短程高精度壓電移動實現無縫拼接。這種架構徹底打破了傳統光學中「高NA必低FOV」的限制，使得晶圓級微奈米製造成為可能。
3. 光學架構的極簡與獨立性
與依賴複雜光路的全像多焦點系統（Holographic Multi-focus TPL）不同，超透鏡陣列採用非成像（Non-imaging）光學架構。它不需要傅立葉透鏡或複雜的相位調製光路，而是直接利用超表面實現波前整形。更關鍵的是焦點的獨立性：在全像系統中，生成多個焦點往往伴隨著複雜的干涉計算和光強不均，且焦點間距過近會導致鄰近效應（Proximity Effect），引發過度固化。而超透鏡陣列中，每個透鏡的光場是物理隔離的，互不干擾，配合SLM的灰度控制，可以確保每個焦點的能量分配高度均勻且獨立可調。
與競爭技術的橫向對比
1. 對比傳統單焦點 TPL：速度與精度的取捨
- 解析度優勢： 傳統單焦點技術仍是精度的王者，其解析度最高可達 50 nm，優於超透鏡陣列的 113 nm。
- 速度劣勢： 然而，兩者在吞吐量上存在數量級的差異。單焦點系統的體積速率僅為 0.001 – 0.01 mm³/h，而超透鏡陣列系統則達到 0.05 – 5 mm³/h。
- 定位差異： 超透鏡陣列的速度是單焦點的 500 至 5000 倍。這決定了單焦點技術將繼續統治小尺寸、極高精度的科研樣品製備，而超透鏡陣列則填補了中等精度、中等尺寸功能器件的製造空白。
2. 對比全像多焦點 TPL：光子效率與算力的博弈
- 焦點數量： 全像方法雖然靈活，但受限於空間光調製器（SLM）的解析度，其獨立焦點數量通常不超過 1萬個，僅為超透鏡陣列（12萬個）的 1/12。
- 計算瓶頸： 生成高品質全像圖依賴複雜的疊代演算法，難以實現即時列印，而超透鏡陣列通過物理遮罩規避了這一算力瓶頸。
- 光學效率： 全像系統的總體光學效率通常在 20% – 40% 之間，低於超透鏡陣列的 49.3%，意味著後者在能量利用上更為經濟。
3. 對比投影式光片 TPL：成本與應用場景的錯位
- 速度優勢： 投影式光片技術代表了極速路線，其通過時空聚焦技術實現面投影列印，體積速率可達 10 mm³/h，在峰值吞吐量上優於當前的超透鏡陣列。
- 成本與代價： 但這種速度是用昂貴的硬體換來的，系統依賴高功率飛秒雷射再生放大器，核心光源成本高達 20萬至50萬美元。
- 視野與局限： 儘管其解析度也能達到亞微米級（約 140-175 nm），與超透鏡陣列處於同一梯隊，但其單次曝光視野極小（通常遠小於 1 mm²）。
- 應用錯位： 這種「小視野、需拼接」的特性，使其難以滿足大面積光子晶片對無縫連接的嚴苛要求，因此更適合對拼接缺陷不敏感的生物醫學支架和微流控領域；而超透鏡陣列憑藉大面積無縫光刻的能力，成為光子學和超材料製造的更優解。
技術傳承與演進
論文第一作者谷松韻博士現為LLNL博士後研究員，該研究延續了他在高通量TPL技術上的深厚積累。2022年，在香港中文大學陳世祈教授研究組讀博期間，谷松韻在《Science》發表了飛秒雷射圖案化與動力學調控材料組裝相結合的快速3D奈米製造方法。此次發表的超透鏡陣列研究，是谷博士在並行TPL技術路線上的又一次重大突破。從計算全像到超透鏡陣列，研究團隊始終致力於探索不同的技術路徑來解決高通量奈米製造的核心難題。
谷松韻博士（正中）與香港中文大學團隊的合影
結語
谷松韻博士及其團隊的超透鏡陣列並行3D奈米列印技術是該領域的重要里程碑。從科學貢獻看，這是突破性進展：首次實現12萬焦點並行TPL，證明超透鏡在高精度製造中的可行性。從工程成熟度看，色散補償、系統整合等關鍵挑戰仍需進一步優化，但技術路徑已經清晰。產業化前景值得期待：在光子封裝、超材料、微流控等特定細分市場具有獨特優勢，5到10年內有望實現規模應用。
參考資料：
Gu, S., Mao, C., Guell Izard, A., Sadana, S., Terrel-Perez, D., Mettry-Yassa, M., Choi, W., Zhou, W., Yan, H., Zhou, Z., Massey, T., Abelson, A., Zhou, Y., Huang, S., Daraio, C., Tumkur, T. U., Fan, J. A., & Xia, X. (2025). 3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination. Nature, 648, 591–599.
