由于飛秒激光超短脈沖所導致的瞬時雙光子和三光子吸收是當前激光三維微納制造應用中使用最為普遍的原理。盡管飛秒激光多光子光刻被廣泛提及，并且其分辨率值反比于光子數的開根號，但是其同時要求的瞬時高激光功率使得基于飛秒激光的四光子光刻鮮有提及且難以實用。
基于連續激光的步進光子吸收上轉換多光子光刻在理論上也具有飛秒激光多光子光刻的分辨率效果，但是要實現高分辨率步進四光子光刻目前仍然存在多個方面的挑戰。其中主要的挑戰來自于兩個方面：一、基于稀土的上轉換體系雖然有能力實現四光子甚至更多光子上轉換，上轉換后的能量高效傳遞并供給光刻所需要的光物理和光化學反應尚無法保持高度局域供給，這使得將稀土納米顆粒摻雜到光刻膠中，試圖實現步進光子吸收上轉換光刻的研究中，均遭遇了分辨率的困難。比如基于稀土Tm/Yb三光子或四光子上轉換光刻的工作中，典型特征尺寸為50微米，均無法進入到亞微米。二，基于連續激光的步進光子吸收上轉換效率太低，在小尺寸稀土納米顆粒的上轉換過程中，典型的上轉換效率低于5%，一般都在1%以下，而且隨著光子數的增加，多光子的上轉換效率也隨之下降。
圖1 級聯上轉換與傳統銩鐿納米粒子上轉換光刻的對比
在這個工作中，甘棕松教授團隊發明了級聯上轉換的新策略，成功解決了上述兩個問題，并最終實現近紅外高分辨率四光子光刻。為了確保上轉換后能量高效局域傳遞，將稀土上轉換后的能量，再通過三線態上轉換進行局域，從而有效避免了長行程的上轉換發光吸收。同時為了實現高上轉換效率，甘棕松教授團隊制備了總體尺寸最小為11納米的高上轉換效率稀土核殼殼納米顆粒，是目前文獻報道的用于稀土上轉換光刻的最小尺寸，并且實現了高濃度和單分散光刻膠摻雜。在此基礎上，并通過研究稀土能級和分子電子態，找到了將稀土上轉換能量再通過三線態上轉換進一步進行上轉換的能級耦合系統，在高上轉換效率的前提下(高到足夠實現觸發光刻過程中的光化學反應)，實現了弱光四光子高分辨率上轉換光刻，其效果媲美于飛秒激光綠光雙光子光刻。
圖2 鈥鐿稀土納米粒子性質與光刻膠體系中的分布
級聯上轉換策略將應用于紅外等長波長光化學(太陽能轉換，光催化，紅外光觸發化學反應等)，上轉換高分辨率顯微成像，生物3D打印，光學數據存儲等領域。在光學數據存儲領域，無論是單光束飛秒激光數據寫入，還是雙光束超分辨數據寫入，飛秒激光的使用帶來了方便的三維空間寫入能力，但是都受到了寫入速度慢，并且激光器價格高等方面的質疑。級聯上轉換策略將為解決這些問題提供了新途徑，甘棕松教授團隊正在將級聯上轉換策略應用于超分辨光存儲中，結合團隊已經研發成功的雙連續激光超分辨光存儲樣機，以實現投影式雙連續激光超分辨數據三維寫入，預計將能解決超分辨光存儲長期以來的寫入速度難題。
圖3 級聯上轉換光刻成品展示
長期以來，采用縮短波長方法提升光刻分辨率被奉為金科玉律，采用長波長光源實現納米光刻受到諸多質疑。經過團隊不懈努力，不斷解決各種科學和工程難題，先后自主研制了飛秒激光雙光束超分辨直寫光刻，雙連續激光超分辨直寫光刻，雙光束超分辨投影光刻等設備，甘棕松教授團隊所倡導的基于長波長光源的新原理光刻正在得到學術界和產業界越來越多的認可。此次實現的近紅外四光子光刻，結合雙光束超分辨光刻技術，通過雙連續激光的方式，有望將超分辨光刻的分辨率提升到1納米，并同時借助于連續激光弱光上轉換，將實現大面積雙連續激光超分辨投影光刻。
圖4 激光直寫光刻機原理以及3D結構軟件自動化分析與路徑規劃
這項工作以“級聯上轉換：弱光四光子上轉換光刻新策略”為題近日發表在Nature Communications上。該項工作得到了國家重點研發計劃和中國博士后資金的支持，參與單位包括華中科技大學和廣西民族大學。近年來，圍繞新原理光刻及其在大數據光存儲領域，甘棕松教授團隊取得多項進展，除了本項工作之外，還發表了Laser & Photonics Reviews論文2篇， ACS Photonics論文1篇，ACS Applied Materials & Interfaces論文2篇。除了論文發表之外，團隊還努力實施科技成果轉化，所開發的設備和光刻膠材料除了助力其他科研團隊發表Nature和Nature子刊高水平論文之外，還直接應用于企業芯片制造環節，創造產業價值。
