《Nature》重磅:滨松SLM助力革命性3D纳米光刻平台问世

近日，国际顶尖学术期刊《Nature》正式刊发了一项在增材制造领域取得突破性进展的研究论文——3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination (Nature2025, 648, 591-599)。该研究由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室与斯坦福大学等机构合作完成，展示了一种能够实现厘米尺度、纳米精度、高通量三维制造的新一代光刻平台。本研究的关键组成部分之一，是采用了滨松公司的空间光调制器(LCOS-SLM，型号 X15213-02R)，其卓越的性能为研究的成功提供了坚实保障。

研究背景：攻克三维纳米制造的核心瓶颈

当前，基于双光子聚合的激光直写技术是制造高精度三维微纳结构的主要手段。然而，该技术长期受限于其串行加工模式，存在吞吐量低、难以制造大尺寸器件等问题。传统技术依赖于高数值孔径物镜，其有限的视野导致在打印厘米级物体时必须进行多次拼接，从而引入错位缺陷，并显著增加制造时间，严重制约了该技术的实际应用。

技术突破：超构透镜阵列实现大规模并行制造

本研究摒弃了传统的显微物镜，创新性地采用超构透镜阵列作为核心光学引擎。该阵列由数万个微米级单元透镜组成，能够将一束飞秒激光转换为超过12万个独立的、高性能的聚焦光斑。

这一设计从根本上实现了从“单点扫描”到“面阵并行”的制造范式变革。研究团队成功演示了该平台的多项卓越能力：

超高吞吐量：达到了每秒 1.2×10⁸体素的打印速度，并实现了单日制造数千万复杂微结构的能力;

大尺寸无缺陷成型：在超过12平方厘米的面积上成型三维结构，几乎消除了因拼接产生的宏观缺陷;

纳米级分辨率：通过精确控制，实现了最低113纳米的线宽，展现了优异的加工精度。

滨松SLM核心价值：实现精确的自适应光场调控

在该平台中，滨松的LCOS-SLM扮演了不可或缺的角色，其主要价值体现在三个方面：

像素级光场调控

SLM作为动态可编程的光学元件，能够对入射激光束的强度进行像素级灰度调制。这使得研究人员可以独立控制阵列中每一个焦点的“开关”状态与强度，为打印复杂三维结构提供了前所未有的灵活性。

系统均匀性校正

在实际光学系统中，激光光束强度分布、透镜阵列的制造差异等因素会导致焦点能量不均。利用SLM的可编程特性，研究团队能够生成补偿图案，对系统进行全局校准，确保了数万个焦点性能的高度一致性，这是实现高质量、均一制造的基础。

赋能智能打印算法

针对任意复杂的三维模型，研究团队开发了自适应元光刻算法。该算法将模型分解为一系列打印指令，而每一指令都对应一个由SLM生成的特定光场图案。滨松SLM的快速响应与高精度特性，是这一先进算法得以实现的关键。

图1 滨松LCOS-SLM

此项研究对核心光学器件的性能提出了极为严苛的要求。滨松的X15213-02R型SLM在抗损伤阈值、光学效率、相位控制精度等关键性能上，经受住了考验。在实际的应用场景中展现了满足极限工况的可靠性能。

高抗损伤阈值：系统使用的飞秒激光脉冲峰值功率极高。滨松SLM专为高功率激光环境设计，能够稳定工作，确保了系统的长期可靠性;

高光学效率：SLM的光学效率优于97%，最大限度地减少了光能损失，保证了到达加工区域的有效能量;

高精度相位控制：8比特的相位控制深度，为精细的灰度调节提供了坚实基础，是实现亚衍射极限加工精度的保障。

滨松助力精密激光加工技术发展

滨松产品曾作为关键器件，助力了3个诺贝尔物理学奖的诞生。70余年来，更不断地参与并见证了诸多科研和技术的突破。我们期待，此次这项革命性的纳米制造技术能够在微电子、生物医疗、量子信息等领域开辟新的应用前景。

为了帮助用户在其研究中更好地使用LCOS-SLM，滨松中国推出了产品技术资料平台，并组建了经验丰富的本地技术支持团队，可深入场景，提供产品应用落地保障。

在精密激光加工这一领域中，除LCOS-SLM以外，滨松集团旗下产品NKT Photonic的高性能Origami XP飞秒激光系统也有着广泛的应用。两相协同，可共同构成更强大的激光加工一体化方案。

图3 Origami XP飞秒激光系统

滨松将持续努力，通过深入地客户需求理解、不断地产品打磨、本地化服务体系的建设，与客户工作在一起，助力其更多新突破的实现。