近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature》正式刊發(fā)了一項在增材制造領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展的研究論文——3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination (Nature2025, 648, 591-599)。該研究由美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室與斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作完成，展示了一種能夠?qū)崿F(xiàn)厘米尺度、納米精度、高通量三維制造的新一代光刻平臺。本研究的關(guān)鍵組成部分之一，是采用了濱松公司的空間光調(diào)制器(LCOS-SLM，型號 X15213-02R)，其卓越的性能為研究的成功提供了堅實(shí)保障。

研究背景：攻克三維納米制造的核心瓶頸

當(dāng)前，基于雙光子聚合的激光直寫技術(shù)是制造高精度三維微納結(jié)構(gòu)的主要手段。然而，該技術(shù)長期受限于其串行加工模式，存在吞吐量低、難以制造大尺寸器件等問題。傳統(tǒng)技術(shù)依賴于高數(shù)值孔徑物鏡，其有限的視野導(dǎo)致在打印厘米級物體時必須進(jìn)行多次拼接，從而引入錯位缺陷，并顯著增加制造時間，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)突破：超構(gòu)透鏡陣列實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行制造

本研究摒棄了傳統(tǒng)的顯微物鏡，創(chuàng)新性地采用超構(gòu)透鏡陣列作為核心光學(xué)引擎。該陣列由數(shù)萬個微米級單元透鏡組成，能夠?qū)⒁皇w秒激光轉(zhuǎn)換為超過12萬個獨(dú)立的、高性能的聚焦光斑。

這一設(shè)計從根本上實(shí)現(xiàn)了從“單點(diǎn)掃描”到“面陣并行”的制造范式變革。研究團(tuán)隊成功演示了該平臺的多項卓越能力：

超高吞吐量：達(dá)到了每秒 1.2×10?體素的打印速度，并實(shí)現(xiàn)了單日制造數(shù)千萬復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的能力;

大尺寸無缺陷成型：在超過12平方厘米的面積上成型三維結(jié)構(gòu)，幾乎消除了因拼接產(chǎn)生的宏觀缺陷;

納米級分辨率：通過精確控制，實(shí)現(xiàn)了最低113納米的線寬，展現(xiàn)了優(yōu)異的加工精度。

濱松SLM核心價值：實(shí)現(xiàn)精確的自適應(yīng)光場調(diào)控

在該平臺中，濱松的LCOS-SLM扮演了不可或缺的角色，其主要價值體現(xiàn)在三個方面：

像素級光場調(diào)控

SLM作為動態(tài)可編程的光學(xué)元件，能夠?qū)θ肷浼す馐膹?qiáng)度進(jìn)行像素級灰度調(diào)制。這使得研究人員可以獨(dú)立控制陣列中每一個焦點(diǎn)的“開關(guān)”狀態(tài)與強(qiáng)度，為打印復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)提供了前所未有的靈活性。

系統(tǒng)均勻性校正

在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，激光光束強(qiáng)度分布、透鏡陣列的制造差異等因素會導(dǎo)致焦點(diǎn)能量不均。利用SLM的可編程特性，研究團(tuán)隊能夠生成補(bǔ)償圖案，對系統(tǒng)進(jìn)行全局校準(zhǔn)，確保了數(shù)萬個焦點(diǎn)性能的高度一致性，這是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、均一制造的基礎(chǔ)。

賦能智能打印算法

針對任意復(fù)雜的三維模型，研究團(tuán)隊開發(fā)了自適應(yīng)元光刻算法。該算法將模型分解為一系列打印指令，而每一指令都對應(yīng)一個由SLM生成的特定光場圖案。濱松SLM的快速響應(yīng)與高精度特性，是這一先進(jìn)算法得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

圖1 濱松LCOS-SLM

此項研究對核心光學(xué)器件的性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。濱松的X15213-02R型SLM在抗損傷閾值、光學(xué)效率、相位控制精度等關(guān)鍵性能上，經(jīng)受住了考驗。在實(shí)際的應(yīng)用場景中展現(xiàn)了滿足極限工況的可靠性能。

高抗損傷閾值：系統(tǒng)使用的飛秒激光脈沖峰值功率極高。濱松SLM專為高功率激光環(huán)境設(shè)計，能夠穩(wěn)定工作，確保了系統(tǒng)的長期可靠性;

高光學(xué)效率：SLM的光學(xué)效率優(yōu)于97%，最大限度地減少了光能損失，保證了到達(dá)加工區(qū)域的有效能量;

高精度相位控制：8比特的相位控制深度，為精細(xì)的灰度調(diào)節(jié)提供了堅實(shí)基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)亞衍射極限加工精度的保障。

濱松助力精密激光加工技術(shù)發(fā)展

濱松產(chǎn)品曾作為關(guān)鍵器件，助力了3個諾貝爾物理學(xué)獎的誕生。70余年來，更不斷地參與并見證了諸多科研和技術(shù)的突破。我們期待，此次這項革命性的納米制造技術(shù)能夠在微電子、生物醫(yī)療、量子信息等領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用前景。

為了幫助用戶在其研究中更好地使用LCOS-SLM，濱松中國推出了產(chǎn)品技術(shù)資料平臺，并組建了經(jīng)驗豐富的本地技術(shù)支持團(tuán)隊，可深入場景，提供產(chǎn)品應(yīng)用落地保障。

圖2 長按識別二維碼，進(jìn)入濱松LCOS-SLM專題頁

在精密激光加工這一領(lǐng)域中，除LCOS-SLM以外，濱松集團(tuán)旗下產(chǎn)品NKT Photonic的高性能Origami XP飛秒激光系統(tǒng)也有著廣泛的應(yīng)用。兩相協(xié)同，可共同構(gòu)成更強(qiáng)大的激光加工一體化方案。

圖3 Origami XP飛秒激光系統(tǒng)

濱松將持續(xù)努力，通過深入地客戶需求理解、不斷地產(chǎn)品打磨、本地化服務(wù)體系的建設(shè)，與客戶工作在一起，助力其更多新突破的實(shí)現(xiàn)。

審核編輯 黃宇