在3D奈米列印走向產業化的過程中，「製造速度」與「製造穩定性」是必須跨越的兩道關鍵門檻。提升製造速度，解決的是產能問題；而保證製造的一致性，解決的則是良率問題。
2026年，香港中文大學陳世祺教授團隊聯合瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員，在《Nature Communications》發表了一項最新研究成果，提出了一套全新的閉環雙光子光刻系統（Closed-loop Two-photon Lithography System）。該系統最大的特點在於：它能夠在列印過程中同步檢測已形成的結構，並根據測量結果自動調整列印參數，及時修正製造偏差。借助這一能力，研究團隊在一次連續 14小時 的製造過程中，加工出了毫米級光學元件，並將整體誤差控制在 100奈米以內。這項成果首次讓雙光子光刻技術在長時間、大尺寸製造場景中展現出真正的：「邊列印、邊檢測、邊糾錯」閉環製造能力。
一個長期被忽視的難題：列印結果不穩定
雙光子光刻（Two-photon Lithography, TPL） 是目前最先進的3D奈米列印技術之一。其基本原理是利用飛秒雷射精準聚焦於光刻膠內部。只有在焦點這個極小區域內，光強才足夠高，能夠觸發材料聚合與固化。這種：「只有焦點位置產生作用」的特性，使其能夠在三維空間中逐點雕刻出具有奈米級精度的精細結構。
然而，要將這項技術真正應用於大規模生產，仍需要突破一個核心技術瓶頸：列印結果缺乏穩定性與可重複性。
過去幾乎所有TPL系統都採用：「開環控制（Open-loop Control）」模式運作。
也就是說，整個製造過程從開始到結束，都使用預先設定好的參數，中途不會根據實際製造狀態進行任何調整。但在真實製造環境中：
- 雷射功率會逐漸漂移；
- 環境溫度會發生變化；
- 設備會產生輕微振動；
- 液態光刻膠本身也可能流動。
當列印小尺寸結構時，這些波動造成的影響可能可以忽略。
但是，一旦進入：
- 長時間製造；
- 大尺寸結構加工；
誤差會隨著時間持續累積，並逐漸放大，最終導致整個器件失效。更棘手的是，傳統檢測方法在這種情況下幾乎無法發揮作用。
事後檢測無法提前避免問題
電子顯微鏡以及：原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）
雖然具有極高解析度，但只能在列印完成後使用。此外，它們無法直接在液態列印環境中工作。當檢測發現問題時，往往已經錯過修正機會。
普通光學顯微鏡無法觀察奈米細節
受到光學繞射極限限制，傳統光學顯微成像：
- 無法清楚解析200奈米以下的細節；
- 無法獲得完整三維結構資訊。
因此，目前產業界大多仍採用：反覆試製 → 調整參數 → 再次製造的方式。
也就是：嚴格控制製程參數與環境條件，製造大量樣品，直到偶然得到符合要求的產品。
這種方式不僅：
- 耗費時間；
- 增加成本；
- 同時也造成大量材料浪費。
核心思路：讓同一束雷射既負責列印，也負責檢測
陳世祺團隊的巧妙之處在於，利用一台特製的雷射器同時完成列印和檢測兩件事情，從而將整個過程串聯成一個閉環。這台雷射器屬於「雙光梳」雷射器，可以理解為它能夠同時發出兩束特性互補的雷射。其中一束經過波長轉換後用於列印，觸發光刻膠固化；另一束則專門用來對正在成型的結構進行原位測量，即時獲取它的高度和形貌資訊。
由於兩束光來自同一台雷射器、共享同一個「時間基準」，它們之間天然具有高度同步性，無需額外搭建複雜的穩定系統，從而實現高速和高精度的回饋。
系統在列印的同時，檢測光束持續掃描整個工作區域，即時將當前結構的真實高度回饋給一個動態模型。模型將這個真實值與設計目標進行比較，一旦發現偏差，就立即調整雷射功率、掃描速度和曝光時間，將結構拉回到正確的狀態。
由於光刻膠一旦固化就無法逆轉，系統採用了寧可不足、不可過度的穩妥策略。根據預估模型，從曝光劑量的一半開始，再根據即時檢測結果動態調整曝光參數進行「重新曝光」，直到結構恰好達到目標高度為止。而且，每移動到一個新的位置，模型都會利用最新的測量數據進行自我更新，確保加工結果始終精準。
實測效果：長時間製造的穩定性實現質的飛躍
團隊讓開環系統和閉環系統分別連續製造同一種微結構陣列。
結果，開環系統在列印開始一個小時後，結構高度就開始明顯偏離目標，到第十個小時，平均誤差已經累積到一千多奈米；而閉環系統在整個過程中始終保持高度精準，平均誤差僅幾十奈米。
這種穩定性優勢直接轉化為性能優勢。團隊製造了毫米級的繞射光學元件和相位透鏡。閉環系統做出的繞射元件，投射出的圖案清晰銳利；而開環系統的成品則明顯模糊、噪點更多。
在透鏡測試中，閉環成品幾個焦點的均勻性和成像品質，也都大幅領先於開環成品。
此外，這套系統還有很好的適應性：它既能用於透明基底，也能用於不透明基底，而且整套方案只用一台雷射器就同時完成了列印和檢測，結構緊湊、成本可控。
「提速」與「提質」：同一團隊的兩條技術主線
這套閉環系統並不是一個孤立的成果，而是陳世祺教授團隊在高品質、高通量TPL技術上長期布局的重要一環。
團隊此前提出的**線掃描時域聚焦雙光子光刻（Line-TF TPL）**主攻速度。
它通過將飛秒雷射聚焦成可編程的線條圖案，配合基板的連續掃描，打破了傳統列印中「停一下、動一下、再停一下」的間歇模式，實現了真正連續、大面積的3D奈米列印。
而這次的閉環雙光梳系統，主攻品質。
它不追求極限速度，只專注於長時間、大尺寸製造中的一致性問題，讓列印過程具備了即時自我糾錯的能力。
連續化解決了「造得快」，閉環糾錯解決了「造得穩」。
當一套系統既能連續高速運行，又能在漫長的製造過程中始終保持奈米級的一致性時，3D奈米製造才算真正具備了走向工業級量產的完整條件。
應用前景
隨著穩定性和可重複性的大幅提升，這套閉環系統有望在多個高端領域發揮作用：
6G通信光學器件：
製造對精度要求極高的光學元件，確保大批量產品性能一致。
數據存儲與3D顯示：
長時間穩定製造大面積精細結構，為高密度光存儲和全息顯示提供可靠的工藝保障。
光子集成與超快計算：
在光子芯片互連、光學計算等場景中，保證大尺寸光學元件的良率與一致性。
精密微光學製造：
批量生產微透鏡、波帶片、光柵等元件，將過去「碰運氣才合格」的局面，變成「穩定可控」。
註：
本文基於發表於《Nature Communications》的預印版本撰寫，最終正式發表版本可能存在編輯修訂。
《Closed-loop High-precision Two-photon Lithography based on a Multiplexed Single-cavity Dual-comb Laser》
Nature Communications
