光学显微技术虽广泛应用于多学科领域，但其横向分辨率受光衍射限制。介电微球通过光子纳米喷射等现象提供了突破这一限制的希望，已在多种显微技术中展现出二维和三维分辨率增强的潜力。然而，微球辅助显微镜面临视场小和集成难等挑战，限制了其广泛应用。

针对这些问题，希腊研究和技术基金会-电子结构与激光研究所的Gordon Zyla团队提出创新解决方案：利用激光3D打印技术制造高质量微球，并将其整合入专门设计的3D微型器件中。这种方法不仅显著提高了光学显微的横向分辨率，超越传统光学极限，还能够灵活操作，可集成于任何光学显微镜，为高分辨率显微成像开辟了新途径。

该成果以“3D micro-devices for enhancing the lateral resolution in optical microscopy”为题发表在Light: Advanced Manufacturing 。

图1：光子纳米喷射和微球辅助显微成像技术原理图

小百科1：什么是“光子纳米喷射”？

光子纳米喷射是一种独特的光学现象，当光线通过微小的球形颗粒（如本研究中的介电微球）时产生。它表现为在微球背面形成一个高度聚焦、高强度的光束，这个光束的宽度可以小于光的波长。这种现象能够突破传统光学的衍射极限，产生比常规透镜更窄的光束，在焦点处形成高达入射光数百倍的强度，并且光束能在较长距离内保持低散射。在本研究中，研究人员通过精确控制微球的几何形状和材料特性，优化了光子纳米喷射效应，从而显著提高光学显微镜的横向分辨率，实现了超越常规光学极限的成像能力。

先进工艺加工微球

为了制造该器件，该团队采用了两种先进的飞秒激光技术：飞秒激光烧蚀和多光子光刻（MPL）。采用飞秒激光烧蚀在盖玻片上创建一个微孔，使光线能够通过该孔径聚焦。使用多光子光刻技术制造了直径为20μm的微球体，以及悬臂梁，该悬臂梁位于加工后的微孔上方并将其与盖玻片连接。

研究团队在多光子光刻过程中采用了多项创新策略。

首先，他们使用了“自适应网格”技术，即在制造微球的每一层时，将网格图案顺时针旋转5度。这种方法能更精确地近似每一层的圆形形状，显著提高了微球的几何和表面质量。

其次，他们应用了“自适应切片”策略，将微球分为三个区域，每个区域使用不同的切片值，以优化需要高、中、低保真度的区域。这种方法有效地抵消了阶梯效应，减少了曲面的粗糙度。

最后，他们结合了“层特异性激光功率调整”策略。通过在每一层切片后，利用声光调制器调整平均激光功率，他们能够定制体素的大小，这对于提高微球制造的精度至关重要，特别是在球体顶部和底部附近浅斜率的区域。

这些先进的制造策略共同作用，使得团队能够从锆基混合光刻胶中生产出具有优异表面粗糙度和近乎完美几何形状的微球。通过扫描电子显微镜分析，研究人员发现微球的最大偏差约为75nm，考虑到后续实验中使用的中心波长为600nm的白光，这意味着微球的几何质量达到了λ/8。这一高精度加工结果为后续的高分辨率成像奠定了基础。

图2：加工的三维微器件的扫描电子显微镜图

小百科2：什么是“多光子光刻”？

多光子光刻是一种先进的3D微纳加工技术，在本研究中用于制造高精度微球。它利用飞秒脉冲激光在光敏材料中进行精确的三维加工。其工作原理基于多光子吸收效应：只有在激光焦点处，光敏材料才能同时吸收多个光子而被激发，这使得加工精度可达纳米级。通过控制激光焦点，可以在三维空间内精确定位，形成被称为“体素”的微小固化体积。在本研究中，研究人员创新性地应用了自适应光栅、自适应切片和层特异性激光功率调整等策略，精确控制每个体素的大小和位置，从而制造出几何精度达到λ/8的近乎完美微球，为后续的高分辨率成像奠定了基础。

亚波长光栅二维成像

为了测试该三维微器件增强横向分辨率的性能，研究人员使用了周期（Λ）为0.28μm、高度大于50nm的周期性银光栅作为样品。通过Mirau型相干扫描干涉仪（MCSI）绘制的横截面轮廓表明，经过MPL加工的近乎完美的微球显着增强了横向分辨率，其分辨率至少达到光栅的周期（0.28μm ）。该方法测量的光栅周期及高度与原子力显微镜（AFM）实现的结果高度匹配。研究表明，加入自制的微球显着提高了MCSI系统的横向分辨率，使其能够清晰成像如此精细的结构。这一分辨率水平通常超出了传统MCSI系统的性能范围。

图3：Mirau型扫描干涉显微系统表征三维器件的分辨率增强

小百科3：什么是“Mirau型相干扫描干涉仪”？

Mirau型相干扫描干涉仪(MCSI)是一种先进的3D表面测量仪器，利用白光干涉原理进行高精度非接触式表面轮廓分析。其核心是Mirau干涉物镜，将参考镜集成在物镜内部，确保光路一致性。MCSI通过垂直扫描记录不同高度的干涉图像，重建表面3D轮廓。它具有纳米级的轴向分辨率，但横向分辨率传统上受光学衍射限制。本研究通过将自制高精度微球集成到MCSI系统中，成功突破了横向分辨率限制，实现了对亚波长结构的高精度测量，展示了MCSI在高分辨率3D成像领域的创新潜力。

总结与展望

本研究通过创新结合飞秒激光烧蚀和多光子光刻技术，成功制造出一种能显著提高光学显微镜横向分辨率的3D微型设备。研究团队开发的先进MPL策略使微球达到λ/8的几何精度，实现了超越传统光学极限的横向分辨率。这项突破为微结构辅助显微技术奠定基础，展示了多光子光刻在制造复杂光学元件方面的巨大潜力。未来，研究团队将进一步优化设计和工艺，探索更多样化的几何形状，并拓展应用范围。这种方法有望在生物医学成像、材料科学和纳米技术等领域广泛应用，为高分辨率三维成像开辟新途径。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.019