作者：李臻賾（清華大學(xué)博士后）孫洪波（中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授）

在某種意義上，人類文明的演進(jìn)史，就是一部工具精度的進(jìn)化史。從舊石器時(shí)代粗糙厚重的打制石斧，到青銅時(shí)代澆鑄的禮器；從工業(yè)革命時(shí)期蒸汽驅(qū)動(dòng)的鋼鐵洪流，到現(xiàn)代微電子工業(yè)中光刻機(jī)下誕生的硅基奇跡，人類一直試圖以更強(qiáng)的力量、更精細(xì)的手法去駕馭物質(zhì)世界。當(dāng)前，制造的疆域已經(jīng)推進(jìn)到了肉眼完全無法觸及的幽深秘境——納米世界。在這個(gè)尺度上，科學(xué)家正以光為刃，掀起一場(chǎng)三維精密制造的革命。

第一屆激光制造與增材制造創(chuàng)新發(fā)展大會(huì)。新華社發(fā)

1. 打破光的衍射極限

當(dāng)我們談?wù)摼苤圃鞎r(shí)，最熟悉的例子莫過于手機(jī)里的芯片。在指甲蓋大小的硅片上，集成了數(shù)百億個(gè)晶體管，這無疑是人類工程學(xué)的巔峰。制造這些芯片的核心設(shè)備是光刻機(jī)，它就像一支光的“畫筆”，將復(fù)雜的電路圖畫在涂有光刻膠的硅片上。為了畫出更細(xì)的線條（即更先進(jìn)的制程，如5納米、3納米），工程師們不得不使用波長(zhǎng)極短的光，比如極紫外光光刻機(jī)的波長(zhǎng)為13.5納米，只有發(fā)絲的萬分之二的寬度。這是因?yàn)楣鈱W(xué)領(lǐng)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(zhǎng)一半更小的尺寸。要想畫得細(xì)，筆尖（波長(zhǎng)）就必須足夠細(xì)。

光刻技術(shù)本質(zhì)上是一種平面藝術(shù)，它雖然強(qiáng)大，卻并非萬能。制造芯片就像蓋樓，需要一層一層地堆疊、曝光、蝕刻，每一層結(jié)構(gòu)本質(zhì)上都是二維的。然而，光刻光束無法穿透材料深處進(jìn)行定點(diǎn)加工，且極短波長(zhǎng)的光很容易被材料吸收。如果我們想在材料的內(nèi)部直接構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，或者想在一塊完整的材料內(nèi)部通過“挖隧道”來構(gòu)建立體的光子高速公路或者信息存儲(chǔ)器，又或者想在金剛石的深處精準(zhǔn)地?fù)軇?dòng)某一個(gè)原子來制造量子開關(guān)……這時(shí)，傳統(tǒng)的光刻機(jī)就無能為力了。

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

科學(xué)家利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)了這一奇跡。一飛秒相當(dāng)于一千萬億分之一秒，可以把光能壓縮到極小的時(shí)間段內(nèi)，并通過非線性光學(xué)的“多光子吸收”效應(yīng)，使得原本透明的材料只會(huì)在激光焦點(diǎn)能量最強(qiáng)的一瞬間和一個(gè)極小的點(diǎn)上發(fā)生反應(yīng)。就像我們拿著放大鏡聚焦陽光，光線穿過透鏡表面時(shí)沒有任何熱度，只有聚焦的那一點(diǎn)能點(diǎn)燃紙張。通過這樣的技術(shù)手段，科學(xué)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，這僅相當(dāng)于幾十個(gè)原子排列的寬度。

2. 在微觀世界構(gòu)筑“立交橋”

在后摩爾時(shí)代，電子芯片面臨著嚴(yán)重的“功耗墻”和“電子瓶頸”，因?yàn)殡娮釉陔娐分斜寂軙r(shí)，產(chǎn)生的熱量和延遲限制了算力的進(jìn)一步提升。而光子以光速傳輸、無熱損耗、高并行度的特性，成為理想的繼任者。

如果說電子芯片是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石，那么光子芯片則是通往未來的高速公路。但是，在亞10納米尺度下制造光子芯片，其難度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的光刻。因?yàn)楣饴方徊鏁?huì)產(chǎn)生干擾，傳統(tǒng)芯片的“平面互連”在光子領(lǐng)域顯得捉襟見肘。我們需要在微小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度的光路互連，必須向“高度”要空間。

亞10納米激光直寫技術(shù)，正是構(gòu)建真正的三維光子芯片的有力工具?？茖W(xué)家利用激光在光敏材料內(nèi)部，像3D打印一樣自由地“畫”出光波導(dǎo)。這些波導(dǎo)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?yàn)楣鈱?duì)傳輸通道的平整度極其敏感，所以納米級(jí)的加工精度對(duì)此至關(guān)重要。這就像是直接在玻璃或晶體內(nèi)部架設(shè)起立體的、多層交錯(cuò)的“空中立交橋”。利用這種技術(shù)制造的三維光子芯片，不僅體積大幅縮小，還可以實(shí)現(xiàn)極高密度的片上互連。未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)，可能不再是由無數(shù)根銅線連接的龐然大物，而是一塊內(nèi)部刻滿了三維光路的玻璃立方體，數(shù)據(jù)在其中以光速穿梭，有望真正實(shí)現(xiàn)“光腦”的夢(mèng)想。

3. 為量子世界“點(diǎn)睛”

當(dāng)我們把視線從芯片轉(zhuǎn)向更基礎(chǔ)的物理層面，亞10納米加工技術(shù)正成為開啟量子大門的金鑰匙。在量子計(jì)算和量子通信中，核心資源是量子比特和單光子源。制造這些量子單元，往往需要對(duì)材料進(jìn)行原子級(jí)的精確操縱——這被稱為“近原子制造”。

以金剛石中的氮—空位（NV）色心為例。這是一種完美的固態(tài)量子比特載體，它由金剛石晶格中的一個(gè)氮原子取代碳原子，并伴隨一個(gè)空位組成。它不僅能產(chǎn)生單光子，還對(duì)磁場(chǎng)、電場(chǎng)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(jī)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(shù)在這里上演了一場(chǎng)“點(diǎn)石成金”的戲碼。通過使用極高精度的飛秒激光脈沖，科學(xué)家可以在金剛石晶格的特定位置精準(zhǔn)地“敲”掉一個(gè)碳原子，并引導(dǎo)附近的氮原子歸位，人工制造出NV色心，這要求加工精度必須達(dá)到亞10納米甚至單原子水平。這不僅僅是制造光源，更是在制造最高精度的“量子尺子”。基于這些人工精確排列的原子級(jí)缺陷，科學(xué)家研制出了超高靈敏度的量子傳感器。它們能夠探測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元放電產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)，或者細(xì)胞內(nèi)部溫度的萬分之一度變化。這意味著，在生物醫(yī)療領(lǐng)域，可以在不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的情況下，深入細(xì)胞核內(nèi)部進(jìn)行診斷；在材料科學(xué)領(lǐng)域，可以通過磁場(chǎng)成像直接“看”到超導(dǎo)材料內(nèi)部電子的微妙流動(dòng)。

4. 賦予普通材料魔術(shù)般的特性

亞10納米激光加工技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此。在材料表面改性方面，激光正在賦予普通材料魔術(shù)般的特性，通過在金屬或聚合物表面雕刻出納米周期的微納結(jié)構(gòu)，可以從根本上改變材料的光學(xué)、潤(rùn)濕和機(jī)械性質(zhì)。例如，模仿荷葉表面的納米乳突結(jié)構(gòu)，可以制造出超疏水、自清潔的“不沾”表面，水珠在其上會(huì)像彈珠一樣滾落，并帶走所有灰塵；模仿蝴蝶翅膀的復(fù)雜光子晶體結(jié)構(gòu)，可以制造出無需化學(xué)色素、永不褪色的“結(jié)構(gòu)色”材料，這種顏色源于物理結(jié)構(gòu)對(duì)光的折射與干涉，可歷久彌新。

該技術(shù)在超材料領(lǐng)域的應(yīng)用更加令人驚嘆。通過人工設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)可獲得天然材料不具備的物理性質(zhì)，比如負(fù)折射率——這可以讓光線違背常理地彎曲，理論上可以實(shí)現(xiàn)“隱身斗篷”的效果。要實(shí)現(xiàn)可見光波段的隱身，這些微納結(jié)構(gòu)的單元尺寸必須遠(yuǎn)小于可見光波長(zhǎng)。激光直寫技術(shù)使得大面積、三維復(fù)雜的超材料制造成為可能，讓人類第一次擁有了“設(shè)計(jì)”物理定律的能力。

5. 像搭積木一樣實(shí)現(xiàn)“原子組裝”

那么，這項(xiàng)技術(shù)將把我們帶向何方？如果說現(xiàn)在的亞10納米加工是在“雕刻”——即通過減材（去除）或增材（固化）來成型，那么未來的方向?qū)⑹恰霸咏M裝”。

隨著激光技術(shù)與掃描探針顯微鏡（SPM）技術(shù)的結(jié)合，未來的制造可能不再是宏觀的“切削”，而是像搭積木一樣，利用光場(chǎng)（光鑷技術(shù)）捕獲和操縱單個(gè)原子或分子，將它們精確地放置在預(yù)定位置。這便是“原子制造”的終極夢(mèng)想——《星際迷航》中“復(fù)制機(jī)”的雛形。在這個(gè)過程中，人工智能可能會(huì)進(jìn)一步成為激光的“大腦”。比如，我們希望未來AI可以實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過程中的光信號(hào)反饋，以微秒級(jí)的速度調(diào)整激光的功率、波前和焦點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這種“智能光造”將極大地提高良品率，讓原本只能在實(shí)驗(yàn)室里制備的納米器件，得以走上工業(yè)化的流水線。

此外，基于亞10納米技術(shù)的納流控芯片或許也將徹底改變生命科學(xué)。在小于10納米的通道中，流體的行為會(huì)發(fā)生質(zhì)變，幾乎所有的生物大分子，如DNA、蛋白質(zhì)等都只能排成一列通過。這使得我們可以對(duì)單個(gè)DNA分子進(jìn)行快速測(cè)序，或者對(duì)單個(gè)病毒進(jìn)行捕捉和分析。未來的醫(yī)療診斷，可能只需要一滴血和一塊刻滿亞10納米溝槽的玻璃片，就能在幾分鐘內(nèi)解讀出人體的健康密碼。

亞10納米激光加工技術(shù)生動(dòng)展示了人類如何利用光的力量，在原子尺度上重塑物質(zhì)秩序的光明前景。這不僅僅是制造技術(shù)的迭代，更是人類認(rèn)知邊界的拓展。在這場(chǎng)跨越尺度的精密制造革命中，激光，這束人類智慧凝聚而成的純凈之光，雕刻出的不僅是更快的芯片、更靈敏的傳感器或更神奇的材料，它更在雕刻人類的未來。

《光明日?qǐng)?bào)》（2026年02月05日 16版）