近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室联合斯坦福大学，提出了一种基于超透镜阵列和空间自适应照明的新型TPL系统，成功实现厘米级无拼接3D打印，并将打印吞吐量提升至每秒10⁸体素。该技术有望用于复杂纳米结构的快速批量制造，潜在应用场景包括药物递送系统和激光核聚变靶材的制备。相关成果以《3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination》为题，于2025年12月17日发表在《Nature》上。其中，中国学者Songyun Gu和Chenkai Mao为共同第一作者。图1：金属透镜阵列并行双光子光刻系统示意图这项技术使用大面积金属透镜阵列（金属超透镜）替代传统物镜，结合空间光调制器（SLM），生成可控的高数值孔径（NA）聚焦阵列，支持高分辨率、并行化、非接触式的三维打印。研究人员在12 cm²的区域内同时激活超过12万个激光焦点，打印速度突破108 voxels/s，最小特征精度达113纳米，真正实现了亚百纳米精度的厘米级打印。
与传统TPL依赖单一显微物镜不同，金属透镜系统将“一个镜头”拆分成了“成千上万个微型镜头”。研究团队利用超结构材料构建纳米级光学单元，制造出宽度约100–200微米、可批量复制的硅基超透镜，通过相位控制精确聚焦。图2：高通量并行打印过程示意图这些超透镜通过SLM可独立调控，实现动态灰度调制、开关切换和图案组合。同时，在非成像光学的思路下，系统摆脱了传统物镜FOV和聚焦深度的限制，构建出具有高均匀性与稳定性的光场阵列，支持大规模并行制造。图3：自适应并行光刻策略打印结构展示
研究团队展示了该系统在复杂结构制造中的出色表现，涵盖从规则阵列到高度非周期几何的多种类型：例如，他们成功打印出一组完整的3D国际象棋阵列，每个直径不足100微米的棋子均由不同的超透镜独立生成，结构高度一致；系统还支持随机Voronoi结构和仿生泡沫的快速构建，适用于组织工程和生物支架设计。
在功能性材料方面，链甲结构超材料展现出独特的滑移机制与优异的断裂韧性，具备实际工程应用潜力；此外，该平台还能高效批量制造数千万级别的纳米微粒，为药物输送、传感器开发等应用提供了稳定的制备手段。图4：厘米级机械超材料打印与力学表现传统TPL受限于物镜视场，打印大尺寸结构时需要频繁拼接，容易产生误差和错位，影响整体精度。而新系统中，每个超透镜就是一个独立的打印单元，所有光斑通过SLM统一控制，实现光学级别的自动对齐，有效避免了拼接误差。
此外，研究团队还提出了自适应并行打印策略，可根据结构的周期性和复杂度灵活调整打印方式。对于局部周期结构，系统按区域激活光斑，提升边缘打印质量；对于完全非周期结构，则通过划分子区域并复用路径，优化效率。这使得系统即使面对复杂、不规则的三维模型，也能高效、精准地完成打印。图5：各类3D纳米制造技术对比
研究人员表示，目前的系统仍处于实验验证阶段，未来将持续在多个方向进行优化升级，包括：扩大超透镜阵列的面积至数十平方厘米，提升打印覆盖范围；采用更高刷新率的SLM，提高光斑响应速度与控制精度；引入高重复频率的飞秒激光源，实现更快速的扫描效率；并通过边界设计优化光场分布，实现局部区域的超分辨率调控。
本次超透镜TPL方案的提出，不是单纯提升激光扫描效率，而是从光学架构和控制逻辑两方面，系统性重构了3D纳米打印的范式。它的提出，标志着高分辨率打印技术正从“慢工细活”走向“规模制造”，也为后续实现高集成度微纳结构的工业化奠定了基础。
