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。

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

                                                                             图片来源：中国光学