《红外与激光工程》于2025年第4期推出了“光纤传感技术及应用”专题，本专题特别邀请了国内相关专家团队撰写最新研究综述14篇和原创性研究论文6篇。本期带来的是深圳大学王义平、廖常锐教授团队最新工作。（查看全文请点击文末阅读原文）
撰稿人：廖常锐
论文题目：超快激光3D打印无机材料技术及应用(特邀)
作者：廖常锐，方浩锐，朱德志，何智明，陈文涛，王义平
完成单位：深圳大学 物理与光电工程学院
导读
当传统制造工艺在微纳尺度面前“望而却步”时，飞秒激光3D打印凭借卓越的加工精度与结构可控性，为微观世界三维结构的制备开辟了新的可能。这项技术以“光”为笔，通过极短脉冲的精准聚焦，在材料上直接构建出亚微米级的复杂三维结构。特别是在无机材料领域，该技术正逐步突破热稳定性、力学强度和化学耐受性等多重性能瓶颈，推动先进材料制造从二维迈向真正的三维时代。无机材料因其优异的物理化学性能，在航空航天、电子器件、光学系统和生物医疗等关键领域具有广泛应用。然而，传统的微纳加工手段往往受限于材料兼容性差、加工精度不足及工艺流程繁琐等问题，难以满足高性能器件微型化和集成化的需求。相比之下，飞秒激光3D打印凭借超高空间分辨率、广泛的材料适应性及高度的结构设计自由度，正成为制造高精度无机微纳结构的重要技术手段。近年来，研究者利用该技术成功实现多种复杂三维结构的直接打印，为新一代微光学器件、微型传感单元和生物功能平台的构建提供了有力的技术支撑。
研究背景
在现代微纳制造技术不断发展的背景下，基于无机材料的3D微纳结构因其卓越的性能和广泛的应用前景，已成为该领域的研究热点。3D无机微纳结构通常具备优异的硬度、耐高温性和抗腐蚀性，同时在电、光、热等方面表现出良好的物理特性，使其即便在极端环境下仍能保持高稳定性和可靠性。然而，现有的无机材料微结构加工方法，如模板法、化学刻蚀和溶胶-凝胶等传统技术，以及近年来发展出的熔融沉积成型、带电气溶胶喷射和油墨直写等新型制造方法，普遍存在工艺复杂、精度受限、材料兼容性差等问题，难以满足日益增长的高精度和功能集成制造需求。此外，随着器件微型化和多功能集成趋势的加速发展，制造技术正面临从“二维图案”向“复杂立体结构”演进的关键挑战。在此背景下，飞秒激光3D打印技术作为一种基于非线性光学效应的新兴微纳制造手段，凭借其高空间分辨率、可控能量沉积以及广泛的材料适应性，正逐步成为高性能3D无机微纳结构制造的重要方案，并在光学微器件、微机电系统（MEMS）、生命科学等多个前沿领域展现出巨大的应用潜力。
主要内容
飞秒激光3D打印的核心机制是“双光子聚合效应”，即聚焦的超快激光在空间极小的体积内激发非线性光聚合反应，从而实现亚波长尺度的精确控制。得益于该机制，飞秒激光3D打印的空间分辨率可达百纳米甚至几十纳米级，是高精度微纳结构制造的重要手段。针对无机材料体系，该技术主要发展出两类工艺路径：（1）有机-无机复合材料打印：将无机组分引入有机光敏树脂，形成复合材料体系，并通过双光子聚合实现成型；（2）纯无机材料打印：直接作用于无机前驱体或无机纳米颗粒，通过激光诱导反应完成结构成形。根据材料类型和成形机理的不同，这两类工艺可进一步细分，具体如下：
有机-无机复合材料打印
根据掺杂方式的不同，该工艺可进一步分为两类：
A. 有机聚合物-无机前驱体共混打印
该方法通过将金属盐、金属有机物等无机前驱体均匀掺杂至有机聚合物光刻胶中，并利用飞秒激光诱导聚合成型，随后高温处理去除有机组分，以获得3D纯无机微纳结构。该工艺兼顾成型精度与无机成分的高保留度，广泛用于制备多种功能性微结构，包括发光量子点（如CdS）、金属结构（如Ni、Ag）、半导体氧化物陶瓷（如ZnO、ZrO2）及熔融石英玻璃等。该方法主要依赖可热解生成无机相的有机金属化合物，具有良好的加工适配性和反应活性，适用于光电器件、生物支架、微透镜等功能结构的构建。其优势在于材料体系灵活，可实现较高无机组分含量；但同时面临热解收缩率大、形貌保真度下降等挑战，对材料的分散性和热处理条件提出了较高要求。
图1 基于有机聚合物-无机前驱体共混的飞秒激光3D打印。 (a) 有机半导体复合光敏树脂及其在多光子光刻中的应用示意图；(b) 内皮细胞在生物活性与非生物活性复合结构上的荧光显微图；(c) CdS量子点光致发光结构的扫描电子显微镜（SEM）图与荧光图；(d) ZnO十四面体晶胞的 SEM 图；(e) 掺Eu3+ZrO2降压球在激光激发下的彩色编码图；(f) 含金属透明光刻胶的制备流程示意；(g) 熔融石英玻璃3D微结构的制备示意图；(h) 二氧化硅/氧化锆复合陶瓷的自由形态微结构；(i) 600°C热处理后的熔融石英玻璃微透镜及光栅的SEM图
B. 有机聚合物-无机纳米颗粒共混打印
该方法通过将表面改性的无机纳米颗粒（如SiO2、Fe3O4、碳纳米管等）分散于有机聚合物光刻胶中，利用飞秒激光双光子聚合进行成型，随后经热处理得到高无机含量的3D功能微结构。该工艺适用于多种无机颗粒，可用于制备熔融石英微透镜、磁性纳米机器、量子点发光器件及高导电微电极等。与有机聚合物-无机前驱体共混打印相比，该方法具有反应条件温和、颗粒热稳定性高、结构性能优良等优势。然而，由于无机纳米颗粒的高比表面积，易发生团聚，且光散射效应可能降低成型精度。因此，通常需通过表面改性提升颗粒在光刻胶中的分散性和光学均匀性，以减少光散射带来的成型误差，并优化颗粒与树脂的相容性和透明度。
图2 基于有机聚合物-无机纳米颗粒共混的飞秒激光3D打印。 (a) 二氧化硅纳米复合材料3D熔融石英微结构的飞秒激光直写工艺示意图；(b) 熔融石英微透镜阵列的显微镜图；(c) 3D二氧化硅纳米结构的制备示意图；(d) 1100°C退火后的非晶玻璃微针阵列SEM图；(e) 微型环形光学谐振器的SEM图；(f) 磁性Fe3O4纳米颗粒双光子聚合微涡轮机示意图；(g) RGB量子点双光子聚合结构的荧光图与SEM图；(h) 含碳纳米管的印刷线结构示意图及其SEM图
纯无机材料打印
相较于有机-无机复合材料体系，纯无机材料打印完全省略了有机聚合物的参与，直接以无机前驱体或无机纳米颗粒为原料，在飞秒激光诱导下通过局部物理或化学反应完成结构成型。该方法主要包括两类工艺路径：
A. 无机前驱体打印
利用飞秒激光聚焦区域内的高能量密度，诱导前驱体发生光化学还原、分解等反应，从而将前驱体转化为目标无机材料，原位生成高无机组分含量的三维结构。该工艺适用于打印高纯度金属（如Ag、Pt、Ni）和非金属氧化物（如SiO2、ZnO）结构，常用于制造金属微柱、导电网络、光学透镜等功能元件。其优势在于无需引入有机组分，打印结构具有高无机纯度、优异光学性能和直接打印能力；但也存在材料适用范围窄、打印效率低、易产生热积累与气泡等问题，对激光参数控制精度要求较高。
图3 基于无机前驱体的飞秒激光3D打印。 (a) 光打印还原金属结构的示意图，展示形核、成长和聚集三个阶段；(b) 独立银柱的扫描电子显微镜（SEM）图；(c) 导电光刻胶中金的光聚合与还原过程示意图 (d) 不同激光重复率下线条结构的SEM图；(e) 3D打印Pt线表面ZnO结构的SEM图；(f) 3D打印氢倍半硅氧烷结构时聚焦光斑尺寸示意；(g) 3D打印氢倍半硅氧烷菲涅尔透镜的SEM图
B. 无机纳米颗粒打印
该方法采用胶体纳米颗粒溶液，通过激光诱导使无机纳米颗粒发生交联、分解或配体脱附，从而实现颗粒间的有效连接与三维结构的成型。该工艺适用于多种纳米材料体系（如ZrO2、Ag、ZnS等），可用于打印陶瓷结构、金属网络及纳米光子器件等。近年来，基于光诱导化学键合技术（如PEB、3D Pin）的发展大大提升了结构的稳定性与通用性。总体来看，该方法具有材料体系适用范围广、支持高无机组分比例、打印精度高、适于功能集成等优点；但同时也存在粒径与形貌控制难度大、键合强度有限、成本较高以及部分体系尚未实现大规模工艺兼容的局限性。
图4 基于无机纳米颗粒的飞秒激光3D打印。 (a) 光引发诱导极性变化下的纳米颗粒组装示意图；(b) 超材料立方体微结构的扫描电子显微镜（SEM）图；(c) PEB打印机制示意图；(d) 光聚合与光还原制备的银双螺旋结构SEM图；(e) 3D Pin打印机制示意图；(f) 埃菲尔铁塔模型的SEM图；(g) CdSe/ZnS量子点左手（LH）与右手（RH）纳米螺旋打印阵列的SEM图。
飞秒激光3D打印无机微纳结构，凭借其高精度、三维可控性及卓越的材料适应性，已在光学微器件、MEMS传感和生命科学等前沿领域得到广泛应用。在光学领域，该技术可用于制备高品质因子的光学谐振器、微透镜阵列和光子晶体结构，实现精密波导和光场调控；在微纳传感方面，飞秒激光3D打印能够在光纤端面构建微结构探针和流速检测器，实现原位的力学与流体特性探测；此外，还可在平面基底上构建温湿度响应等功能结构，用于环境感知与物理场监测；在生物医学及功能器件方向，则可实现微型磁控转子、发光功能结构和微型机器人，为智能医疗与微系统集成提供全新解决方案。这些多功能器件的实现充分展示了飞秒激光3D打印技术在高集成度、多材料微纳制造中的广阔应用前景。
图5 飞秒激光3D打印无机微纳结构的应用。 (a) 3D打印的铌酸锂微谐振腔图；(b) 3D打印SiO2玻璃制备的阵列微透镜；(c) 3D打印ZrO2木堆结构的光子晶体；(d) 3D打印聚合物微梁光纤端面探针；(e) 3D打印基于离子液体掺杂光刻胶的MEMS温湿度传感器；(f) 3D打印微螺旋桨光纤流速传感器；(g) 3D打印人形机器人操控示意图
前景与展望
飞秒激光3D打印无机材料技术近年来在微纳制造领域取得了突破性进展。凭借其卓越的空间选择性和超越衍射极限的高分辨率，该技术能够在纳米尺度上精确制造复杂的无机三维微纳结构。依托有机–无机复合材料体系与纯无机材料体系的多种工艺策略，研究者已在基础结构制造和功能器件开发方面取得多项关键突破，展现出在光学微器件、微机电系统和生命科学等领域的巨大应用潜力。然而，尽管飞秒激光3D打印无机材料技术具备显著优势，其在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，打印效率有待提高、适用材料种类较为有限，以及热处理过程中尺寸收缩等问题尚未得到有效解决。这就要求在材料配方设计、激光参数调控和成形机制理解等方面持续进行优化。展望未来，随着新型无机材料体系开发、数字光场控制等前沿技术的不断融合与发展，飞秒激光3D打印技术有望进一步提升打印效率和成形质量，从而拓宽其在高性能微纳制造中的应用前景。
作者介绍
廖常锐
廖常锐，深圳大学物理与光电工程学院特聘教授，博导，国家优秀青年科学基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，深圳市超快激光微纳制造重点实验室主任。本科和硕士毕业于华中科技大学，博士毕业于香港理工大学，2012年加入深圳大学物理与光电工程学院。研究方向：超快激光三维纳米光刻技术及其在智慧医疗、智能芯片和新能源领域的应用。主持国家重点研发计划项目1项、国家自然科学基金项目4项、省市级重点项目6项和华为技术开发等项目。以第一/通讯作者在Light Science & Applications、Laser & Photonics Reviews、Nano Letters等期刊上发表SCI论文80余篇，SCI总引8000余次，H指数53；授权中国发明专利20项和美国专利4项；研究成果被国家自然科学基金委、美国物理学联合会和美国科学促进会报道。荣获2022年度教育部自然科学奖二等奖、2017年度深圳市自然科学奖一等奖，2019-2023入选全球前2%科学家终身科学影响力榜单。
王义平
王义平，深圳大学物理与光电工程学院讲席教授，博导，国家杰青，万人领军，美国光学学会会士，国家重点研发计划首席科学家，光电子器件与系统教育部重点实验室主任，广东省光纤传感技术粤港联合研究中心主任。2003年获重庆大学光学工程博士学位，先后在上海交通大学（博士后）、香港理工大学（博士后）、德国耶拿光子技术研究院（洪堡学者）和英国南安普顿大学（居里学者）从事研究工作。2012年受聘深圳大学特聘教授，组建了光纤传感创新团队和广东省光纤传感技术粤港联合研究中心。长期从事光纤传感技术及应用研究，获教育部自然科学奖一等奖和二等奖、深圳市自然科学奖一等奖、四川省科学技术进步奖一等奖、广东省光学学会光学科技奖一等奖、全国优秀博士学位论文奖、欧盟玛丽居里国际引进人才基金奖、德国洪堡研究基金奖等。主持国家重点研发计划、JKW专项、国自然重点等项目32项。发表SCI论文362篇（SCI引用12000余次、H指数：53），20篇论文单篇SCI引用超过100次；授权发明专利57项（美国发明专利5项）；入选中国高被引学者和全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜。Applied Optics编委、Photonic Sensors编委、广东省光学学会副理事长。
文章信息
廖常锐, 方浩锐, 朱德志, 等. 超快激光3D打印无机材料技术及应用(特邀)[J]．红外与激光工程, 2025, 54(4): 20250050. DOI: 10.3788/IRLA20250050