劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）与斯坦福大学联合研发出 MetaLitho3D 3D纳米打印技术，将传统实验室级双光子光刻（TPL）拓展至晶圆级量产，实现亚微米精度同时提升千倍生产效率。该技术利用金属透镜阵列和空间光调制器，可高并行制造复杂微结构，广泛应用于微电子、光子器件、量子信息、生物微结构及融合能源靶材。突破性的 自适应元光刻（Adaptive Meta-Lithography） 让纳米制造走向工业化，为先进微器件和超材料生产带来全新可能。
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的工程师和科学家与斯坦福大学合作，开发了一种 3D纳米制造技术，将双光子光刻（TPL）从实验室工具扩展到晶圆级生产——在保持亚微米精度的同时，实现了比商业系统快一千多倍的产能。
这一创新成果已发表在 Nature，有望加速先进微器件和超材料的制造。
从实验室技术到可扩展制造
长期以来，双光子光刻因能够生成纳米级结构而受到重视，但传统系统受限于显微镜物镜，只能处理几百微米的小区域。扩展规模需要拼接成千上万个小块，这一缓慢过程容易出现对准误差，使 TPL 限制于科研应用。
LLNL–斯坦福团队用金属透镜阵列取代显微镜物镜，这种超薄光学元件可将飞秒激光分成超过 12 万个焦点。每个金属透镜都像一个微型打印机，同时在厘米级区域上进行写入。通过根据金属透镜布局间隔焦点，而非将其拥挤在微小视野中，系统避免了以往多光束方法中存在的邻近效应问题。
“这意味着 TPL 终于有可能被工业采用，”LLNL 博士后、论文第一作者顾松云表示，“过去它只是研究人员的实验工具。通过晶圆级纳米制造，我们有潜力像生产计算机芯片那样大规模制造纳米材料和微器件，而元光学正是解决方案。”
自适应光控制拓展设计可能性
为了打印非完全周期结构，团队整合了 空间光调制器（SLM），可实时动态调整每个焦点的强度。这允许光束开关、线宽控制以及逐层图案编排，实现复杂随机结构的高并行制造。
“通过动态开关焦点并精心规划打印轨迹，我们实际上可以高并行度地打印完全随机的结构，”LLNL 材料工程师、首席研究员夏小星表示。利用这一方法，研究人员甚至在一次运行中打印了 16 种不同的微观国际象棋开局。
这一平台被命名为 自适应元光刻（Adaptive Meta-Lithography），可用于生产梯度密度激光靶、太赫兹器件、微流控架构、量子信息组件、微电子、光子器件、聚变能源靶和生物微结构——每天可生产数千万微粒。
行业潜力与未来展望
团队认为，先进光学与增材制造的结合将彻底改变该领域。
“光是地球上最精细的凿子，用于雕刻功能材料和微结构。”夏小星表示，“控制光的新方式将彻底改变材料制造方法。”
随着更高功率激光器、更大尺寸金属透镜晶圆和更快调制器的出现，团队预计金属透镜 TPL 将能以更快速度生产更复杂的器件，使 3D 纳米制造向晶圆级主流生产迈进。
该技术平台 MetaLitho3D 最近获得 2025 年 R&D 100 奖，凸显其在工业应用中的潜力。
跨格式的光刻再造
LLNL–斯坦福的 MetaLitho3D 突破，是推动光刻技术从传统微电子延伸至全光谱增材制造浪潮的一部分。
2022 年，BCN3D 推出了 粘稠光刻制造（VLM），这是该公司首次进入光聚合物 3D 打印领域。VLM 系统经过三年开发，可实现双材料打印，处理高粘度树脂——比传统 SLA/DLP 材料高 50 倍。该系统与 Arkema 合作，支持先进配方如 Kepstan PEKK，使打印零件的冲击强度提升三倍，撕裂强度提升两倍。
2025 年，Azoth 3D 采用 Incus Hammer Lab35 系统，基于光刻的金属制造（LMM）技术，加速生产小型高分辨率金属零件。该系统使用光选择性固化金属粉末与光聚合物结合剂，实现精细表面和清晰特征。Azoth 3D 现在可在 5~7 天交付复杂组件，满足各类高精度几何结构需求。
