作者：李臻賾（清華大學博士後）孫洪波（中國科學院院士、清華大學教授）

在某種意義(yi) 上，人類文明的演進史，就是一部工具精度的進化史。從(cong) 舊石器時代粗糙厚重的打製石斧，到青銅時代澆鑄的禮器；從(cong) 工業(ye) 革命時期蒸汽驅動的鋼鐵洪流，到現代微電子工業(ye) 中光刻機下誕生的矽基奇跡，人類一直試圖以更強的力量、更精細的手法去駕馭物質世界。當前，製造的疆域已經推進到了肉眼完全無法觸及的幽深秘境——納米世界。在這個(ge) 尺度上，科學家正以光為(wei) 刃，掀起一場三維精密製造的革命。

第一屆激光製造與(yu) 增材製造創新發展大會(hui) 。新華社發

1. 打破光的衍射極限

當我們(men) 談論精密製造時，最熟悉的例子莫過於(yu) 手機裏的芯片。在指甲蓋大小的矽片上，集成了數百億(yi) 個(ge) 晶體(ti) 管，這無疑是人類工程學的巔峰。製造這些芯片的核心設備是光刻機，它就像一支光的“畫筆”，將複雜的電路圖畫在塗有光刻膠的矽片上。為(wei) 了畫出更細的線條（即更先進的製程，如5納米、3納米），工程師們(men) 不得不使用波長極短的光，比如極紫外光光刻機的波長為(wei) 13.5納米，隻有發絲(si) 的萬(wan) 分之二的寬度。這是因為(wei) 光學領域存在一條著名的鐵律——衍射極限：光波很難聚焦到比其波長一半更小的尺寸。要想畫得細，筆尖（波長）就必須足夠細。

光刻技術本質上是一種平麵藝術，它雖然強大，卻並非萬(wan) 能。製造芯片就像蓋樓，需要一層一層地堆疊、曝光、蝕刻，每一層結構本質上都是二維的。然而，光刻光束無法穿透材料深處進行定點加工，且極短波長的光很容易被材料吸收。如果我們(men) 想在材料的內(nei) 部直接構建複雜的結構，或者想在一塊完整的材料內(nei) 部通過“挖隧道”來構建立體(ti) 的光子高速公路或者信息存儲(chu) 器，又或者想在金剛石的深處精準地撥動某一個(ge) 原子來製造量子開關(guan) ……這時，傳(chuan) 統的光刻機就無能為(wei) 力了。

有沒有一種能夠無視表麵阻隔、深入物質內(nei) 部且精度能突破衍射極限的“三維雕刻刀”呢？有，這便是亞(ya) 10納米超快激光加工技術。

科學家利用飛秒激光實現了這一奇跡。一飛秒相當於(yu) 一千萬(wan) 億(yi) 分之一秒，可以把光能壓縮到極小的時間段內(nei) ，並通過非線性光學的“多光子吸收”效應，使得原本透明的材料隻會(hui) 在激光焦點能量最強的一瞬間和一個(ge) 極小的點上發生反應。就像我們(men) 拿著放大鏡聚焦陽光，光線穿過透鏡表麵時沒有任何熱度，隻有聚焦的那一點能點燃紙張。通過這樣的技術手段，科學家成功打破了衍射極限的“枷鎖”，將加工精度收窄到了10納米以下，這僅(jin) 相當於(yu) 幾十個(ge) 原子排列的寬度。

2. 在微觀世界構築“立交橋”

在後摩爾時代，電子芯片麵臨(lin) 著嚴(yan) 重的“功耗牆”和“電子瓶頸”，因為(wei) 電子在電路中奔跑時，產(chan) 生的熱量和延遲限製了算力的進一步提升。而光子以光速傳(chuan) 輸、無熱損耗、高並行度的特性，成為(wei) 理想的繼任者。

如果說電子芯片是現代信息社會(hui) 的基石，那麽(me) 光子芯片則是通往未來的高速公路。但是，在亞(ya) 10納米尺度下製造光子芯片，其難度遠超傳(chuan) 統的光刻。因為(wei) 光路交叉會(hui) 產(chan) 生幹擾，傳(chuan) 統芯片的“平麵互連”在光子領域顯得捉襟見肘。我們(men) 需要在微小的空間內(nei) 實現高密度的光路互連，必須向“高度”要空間。

亞(ya) 10納米激光直寫(xie) 技術，正是構建真正的三維光子芯片的有力工具。科學家利用激光在光敏材料內(nei) 部，像3D打印一樣自由地“畫”出光波導。這些波導的直徑極小，且能在三維空間中自由彎曲，甚至像DNA雙螺旋一樣耦合纏繞。因為(wei) 光對傳(chuan) 輸通道的平整度極其敏感，所以納米級的加工精度對此至關(guan) 重要。這就像是直接在玻璃或晶體(ti) 內(nei) 部架設起立體(ti) 的、多層交錯的“空中立交橋”。利用這種技術製造的三維光子芯片，不僅(jin) 體(ti) 積大幅縮小，還可以實現極高密度的片上互連。未來的超級計算機，可能不再是由無數根銅線連接的龐然大物，而是一塊內(nei) 部刻滿了三維光路的玻璃立方體(ti) ，數據在其中以光速穿梭，有望真正實現“光腦”的夢想。

3. 為(wei) 量子世界“點睛”

當我們(men) 把視線從(cong) 芯片轉向更基礎的物理層麵，亞(ya) 10納米加工技術正成為(wei) 開啟量子大門的金鑰匙。在量子計算和量子通信中，核心資源是量子比特和單光子源。製造這些量子單元，往往需要對材料進行原子級的精確操縱——這被稱為(wei) “近原子製造”。

以金剛石中的氮—空位（NV）色心為(wei) 例。這是一種完美的固態量子比特載體(ti) ，它由金剛石晶格中的一個(ge) 氮原子取代碳原子，並伴隨一個(ge) 空位組成。它不僅(jin) 能產(chan) 生單光子，還對磁場、電場和溫度具有極高的感知靈敏度。然而，天然存在的NV色心在金剛石中是隨機分布的，就像散落在巨大沙灘上的幾粒珍珠，位置不可控，難以集成利用。

激光雕刻技術在這裏上演了一場“點石成金”的戲碼。通過使用極高精度的飛秒激光脈衝(chong) ，科學家可以在金剛石晶格的特定位置精準地“敲”掉一個(ge) 碳原子，並引導附近的氮原子歸位，人工製造出NV色心，這要求加工精度必須達到亞(ya) 10納米甚至單原子水平。這不僅(jin) 僅(jin) 是製造光源，更是在製造最高精度的“量子尺子”。基於(yu) 這些人工精確排列的原子級缺陷，科學家研製出了超高靈敏度的量子傳(chuan) 感器。它們(men) 能夠探測到單個(ge) 神經元放電產(chan) 生的微弱磁場，或者細胞內(nei) 部溫度的萬(wan) 分之一度變化。這意味著，在生物醫療領域，可以在不破壞細胞結構的情況下，深入細胞核內(nei) 部進行診斷；在材料科學領域，可以通過磁場成像直接“看”到超導材料內(nei) 部電子的微妙流動。

4. 賦予普通材料魔術般的特性

亞(ya) 10納米激光加工技術的應用遠不止於(yu) 此。在材料表麵改性方麵，激光正在賦予普通材料魔術般的特性，通過在金屬或聚合物表麵雕刻出納米周期的微納結構，可以從(cong) 根本上改變材料的光學、潤濕和機械性質。例如，模仿荷葉表麵的納米乳突結構，可以製造出超疏水、自清潔的“不沾”表麵，水珠在其上會(hui) 像彈珠一樣滾落，並帶走所有灰塵；模仿蝴蝶翅膀的複雜光子晶體(ti) 結構，可以製造出無需化學色素、永不褪色的“結構色”材料，這種顏色源於(yu) 物理結構對光的折射與(yu) 幹涉，可曆久彌新。

該技術在超材料領域的應用更加令人驚歎。通過人工設計的微納結構可獲得天然材料不具備的物理性質，比如負折射率——這可以讓光線違背常理地彎曲，理論上可以實現“隱身鬥篷”的效果。要實現可見光波段的隱身，這些微納結構的單元尺寸必須遠小於(yu) 可見光波長。激光直寫(xie) 技術使得大麵積、三維複雜的超材料製造成為(wei) 可能，讓人類第一次擁有了“設計”物理定律的能力。

5. 像搭積木一樣實現“原子組裝”

那麽(me) ，這項技術將把我們(men) 帶向何方？如果說現在的亞(ya) 10納米加工是在“雕刻”——即通過減材（去除）或增材（固化）來成型，那麽(me) 未來的方向將是“原子組裝”。

隨著激光技術與(yu) 掃描探針顯微鏡（SPM）技術的結合，未來的製造可能不再是宏觀的“切削”，而是像搭積木一樣，利用光場（光鑷技術）捕獲和操縱單個(ge) 原子或分子，將它們(men) 精確地放置在預定位置。這便是“原子製造”的終極夢想——《星際迷航》中“複製機”的雛形。在這個(ge) 過程中，人工智能可能會(hui) 進一步成為(wei) 激光的“大腦”。比如，我們(men) 希望未來AI可以實時監控加工過程中的光信號反饋，以微秒級的速度調整激光的功率、波前和焦點位置，實現閉環控製。這種“智能光造”將極大地提高良品率，讓原本隻能在實驗室裏製備的納米器件，得以走上工業(ye) 化的流水線。

此外，基於(yu) 亞(ya) 10納米技術的納流控芯片或許也將徹底改變生命科學。在小於(yu) 10納米的通道中，流體(ti) 的行為(wei) 會(hui) 發生質變，幾乎所有的生物大分子，如DNA、蛋白質等都隻能排成一列通過。這使得我們(men) 可以對單個(ge) DNA分子進行快速測序，或者對單個(ge) 病毒進行捕捉和分析。未來的醫療診斷，可能隻需要一滴血和一塊刻滿亞(ya) 10納米溝槽的玻璃片，就能在幾分鍾內(nei) 解讀出人體(ti) 的健康密碼。

亞(ya) 10納米激光加工技術生動展示了人類如何利用光的力量，在原子尺度上重塑物質秩序的光明前景。這不僅(jin) 僅(jin) 是製造技術的迭代，更是人類認知邊界的拓展。在這場跨越尺度的精密製造革命中，激光，這束人類智慧凝聚而成的純淨之光，雕刻出的不僅(jin) 是更快的芯片、更靈敏的傳(chuan) 感器或更神奇的材料，它更在雕刻人類的未來。

《光明日報》（2026年02月05日 16版）