劳伦斯利弗莫尔国家实验室与斯坦福大学合作的研究团队，近日展示了一项突破性3D纳米制造技术，将双光子光刻从缓慢的实验室级工艺转变为晶圆级制造工具，同时保持亚微米级精度。这项发表于《自然》杂志的研究成果，通过使用超薄工程光学元件——超构透镜阵列——将飞秒激光分裂为超12万个协同聚焦点，实现在厘米级面积上同步写入。

该团队的TPL平台采用基于超构透镜的创新方法，可制造最小特征尺寸达113纳米的复杂3D结构，其吞吐量比商用系统快千倍以上。"当3D打印系统首次在一厘米乃至三厘米尺度工作时，见证孕育三四年的构想成为现实令人震撼，"LLNL材料工程师、项目首席研究员夏晓星表示，"看到打印速度比商用打印机快数百至数千倍且精度不减，我们意识到突破已经发生。"

长期以来，TPL技术虽以纳米级分辨率著称，但因依赖显微物镜，其打印区域被限制在数百微米内。更大尺寸打印需拼接数千个微区，这一缓慢过程易产生对准误差，阻碍了TPL走出实验室。该团队的超构透镜TPL方案用高数值孔径超构透镜阵列替代传统显微物镜，每个透镜充当微型打印机。系统不再扫描单束激光，而是并行打印数千个微小区域，所有区域在同一过程中无缝融合。通过按透镜间距排布聚焦点（而非挤占微小光学视场），系统避免了早期多光束方法的邻近效应干扰。

"这意味着TPL终于具备产业化应用潜力，"论文第一作者、LLNL博士后研究员顾松韵指出，"此前它仅是研究者的实验工具。借助晶圆级纳米制造，我们有望像生产计算机芯片那样制造纳米材料与微器件——高度复杂却能以极低单位成本批量生产。超构光学正是解决方案。"

为打印非完全周期性结构，团队集成空间光调制器实时调节各聚焦点强度。系统可开关光束、通过灰度控制调节线宽，并编排光束逐层形成更大图案。"在项目推进中，我们意识到通过动态开关聚焦点并精心规划打印路径，实际上能以高度并行化方式打印完全随机结构，"夏晓星解释，"顾松韵与合著者萨维什·萨达纳在一次工艺中打印了16种不同的微缩象棋开局。"团队将此法命名为"自适应超构光刻"，以感谢LLNL先进制造实验室的广泛支持。

这种并行且自适应的技术使超构透镜TPL能制造从梯度密度激光靶材、柔性太赫兹器件到日产量数千万的微粒等各种结构，还能为微流控、量子信息、微电子、光子学、聚变能源与生物医学等新兴技术创建复杂模块化架构。尤其令研究人员兴奋的是，该技术有望规模化推进LLNL正在开展的聚变燃料胶囊与囚禁离子量子计算芯片3D打印研发项目。

夏晓星认为光学与增材制造的融合将是领域发展的关键一步："光是地球上雕琢功能材料与微结构最精细的凿子。控制光的新方法将彻底改变材料制造方式。"随着更高功率激光器、更大超构透镜晶圆与更快调制器的出现，团队相信超构透镜TPL将能以更高速度打印更复杂器件，推动3D纳米制造迈向主流晶圆级生产。这项被命名为MetaLitho3D的技术平台近期荣获2025年R&D 100大奖，彰显其解决实际问题的产业化潜力。

研究合作者还包括LLNL的安娜·盖尔·伊扎德、董平·特雷尔-佩雷斯、黄思佳、特拉维斯·马西、亚历克斯·阿贝尔森、马吉·梅特里-亚萨、崔元珍与图姆库尔；斯坦福大学的毛陈凯、周游与范捷；以及加州理工学院的周文杰、闫虎杰、周子然与基娅拉·达赖奥。