雙光子激光直寫技術(shù)很大程度改善3D打印粗糙度和精度

　　相信絕大多數(shù)人對(duì)“3D打印”這個(gè)概念并不會(huì)感到陌生，因?yàn)樽烂婕?jí)家用小型3D打印機(jī)早已走入了千家萬戶，也有眾多的學(xué)?；驒C(jī)構(gòu)購(gòu)買了專業(yè)級(jí)3D打印機(jī)供學(xué)生或用戶使用，以3D打印機(jī)為核心的教育課程也如雨后春筍般在各個(gè)大城市中出現(xiàn)。

從各個(gè)方面看，目前的3D打印都已經(jīng)進(jìn)入到了細(xì)分市場(chǎng)的階段：從價(jià)格上來看，有較為便宜的家用桌面級(jí)小型3D打印機(jī)，也有較為昂貴的用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的大型工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)；從打印用到的材料來看，有的是樹脂、塑料，有的是金屬，有的甚至用黏土。

以黏土為原材料的3D打印機(jī)

不過，由于通常的3D打印機(jī)都是基于“分層制造”的原理工作的，因此無論是桌面級(jí)還是工業(yè)級(jí)，3D打印的物體層的精度很受限，存在所謂的“臺(tái)階效應(yīng)”，這使得3D打印機(jī)很難制造低粗糙度、高精度的器件，如各種光學(xué)元件、微納尺度的結(jié)構(gòu)器件等等。

今天要給大家介紹的技術(shù)則從另一個(gè)角度出發(fā)，很大程度上改善了粗糙度和精度的問題，它被稱為雙光子3D打印，準(zhǔn)確地說應(yīng)該稱為“雙光子激光直寫技術(shù)”，也被稱為“雙光子聚合技術(shù)（Two－photonpolymerization（2PP）technology）”。

要準(zhǔn)確描述這項(xiàng)技術(shù)，首先要了解清楚什么叫做“雙光子吸收效應(yīng)”。

雙光子吸收效應(yīng)

物質(zhì)可以對(duì)光產(chǎn)生吸收，這一點(diǎn)我們非常熟悉。有一些造物技術(shù)就是基于這一點(diǎn)，例如，用紫外光照射光敏聚合物，被照射到的地方逐漸產(chǎn)生固化，由液態(tài)、膠態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)常見應(yīng)用就是牙科診所中用光敏物質(zhì)填補(bǔ)牙齒。

絕大多數(shù)物質(zhì)對(duì)光的吸收都是將一個(gè)光子作為基礎(chǔ)單位進(jìn)行吸收的，一次只能吸收一個(gè)光子。但是在有些特殊物質(zhì)中，由于存在特殊的能級(jí)躍遷模式，也會(huì)出現(xiàn)同時(shí)吸收多個(gè)（幾個(gè)甚至幾十個(gè)）光子的情況，這就是“多光子吸收效應(yīng)”。

但該效應(yīng)的條件非?？量蹋筇囟ǖ奈镔|(zhì)和極高的能量密度。雙光子吸收效應(yīng)是該類效應(yīng)中的一種典型代表。在雙光子吸收過程中，材料分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，中間經(jīng)過一個(gè)虛能級(jí)完成。

通常情況下，物質(zhì)與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體對(duì)特定波長(zhǎng)的光透過率吸收率是一定的，這個(gè)比例并不會(huì)隨著光強(qiáng)度變化而變化，因此這種作用是線性的。但是雙光子吸收卻是一種三階非線性效應(yīng)，即隨著光能量密度的增加，該效應(yīng)會(huì)快速加強(qiáng)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　線性和非線性吸收效應(yīng)曲線示意圖

借助于這種非線性的雙光子吸收效應(yīng)，科學(xué)家將微納尺度的3D打印變成了現(xiàn)實(shí)。

只有當(dāng)光強(qiáng)增強(qiáng)到一定值，才會(huì)出現(xiàn)較為明顯的雙光子吸收效應(yīng)，利用這一點(diǎn)，我們可以通過將激光聚焦的方式，將反應(yīng)區(qū)域局限在焦點(diǎn)附近極小的位置。并且通過精密移動(dòng)臺(tái)納米量級(jí)的移動(dòng)，使該焦點(diǎn)在光敏物質(zhì)內(nèi)移動(dòng)，聚焦的微納光斑經(jīng)過的位置，光敏物質(zhì)產(chǎn)生變性和固化，因此可以打印任意形狀的3D物體。

使用這種方式打印的微納物體最大的特點(diǎn)是精度高，理論精度可以達(dá)到100nm作用，這是傳統(tǒng)3D打印方法難以企及的。

科研上的應(yīng)用

這種微納尺度的3D打印機(jī)給科學(xué)家提供了一種強(qiáng)有力的手段，來設(shè)計(jì)和加工多種多樣以往只能夠進(jìn)行仿真模擬的微納結(jié)構(gòu)，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)它們的性質(zhì)。尤其是在光學(xué)研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多以雙光子激光直寫技術(shù)為基礎(chǔ)的研究工作。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　雙光子直寫技術(shù)加工的三維光子晶體

上圖是科研中雙光子激光直寫技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子，科學(xué)家使用該技術(shù)制作了三維的光子晶體。光子晶體（PhotonicCrystal）是一種人工微納結(jié)構(gòu)，它由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成，具有特殊的光子帶隙，因而擁有很多奇異的光學(xué)性質(zhì)。這種微納周期結(jié)構(gòu)加工起來非常困難，但使用雙光子激光直寫技術(shù)，則可以非常方便的加工出來。

除了光子晶體，雙光子激光直寫技術(shù)還用于加工微納尺度的光學(xué)元件，下圖就是這樣一個(gè)例子。

雙光子直寫技術(shù)制作的內(nèi)窺鏡

  我們都知道，內(nèi)窺鏡技術(shù)為醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷等領(lǐng)域提供了強(qiáng)力的手段，對(duì)于內(nèi)窺鏡，相信大家最為熟悉的就是胃鏡。醫(yī)生將通過光導(dǎo)纖維相連的內(nèi)窺鏡通過食道插入胃部，可以借此觀察胃部圖像，對(duì)檢測(cè)黏膜損傷、內(nèi)潰瘍、胃出血等癥狀提供直接證據(jù)。

  2016年NaturePhotonics發(fā)表了一篇文章，科學(xué)家利用雙光子激光直寫技術(shù)在光纖頂端不到一百多微米的尺度范圍內(nèi)加工了成像效果良好的透鏡組，制成了目前世界上最小的內(nèi)窺鏡。

  雙光子直寫技術(shù)加工的單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的成像效果。a，單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的光路設(shè)計(jì)圖；b，成像效果仿真模擬圖；c，單透鏡、雙透鏡和三透鏡組剖面的電子顯微鏡照片；d，實(shí)驗(yàn)實(shí)際得到的成像效果圖

 藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

 　當(dāng)然，除了科研領(lǐng)域外，該項(xiàng)技術(shù)越來越多的被利用在藝術(shù)領(lǐng)域。

  2014年，南非藝術(shù)家JontyHurwitz與WeitzmannInstituteofScience的科學(xué)家們合作，利用該技術(shù)制成了世界上最小的雕塑。

  首先他們通過三維掃描技術(shù)掃描并記錄了人體模特身體的三維空間信息，然后將其轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)。再然后，他們利用雙光子激光直寫技術(shù)，在一根針的針孔里制作了該人體模特的微納雕塑，這是世界上最小的人體雕塑，并獲得了吉尼斯世界紀(jì)錄的正式認(rèn)證。

雙光子激光直寫技術(shù)制作的世界最小的人體雕塑

  其他利用該項(xiàng)技術(shù)加工的微納雕塑作品也有很多，例如下圖就是利用勃蘭登堡門的模型。

  也有人利用這項(xiàng)技術(shù)制作了虛擬人物的雕塑，還有人制作了微納尺度賽車和房子的模型等等?？傊?，人們可以在此基礎(chǔ)上充分放飛自己的想象力，制作各種各樣的藝術(shù)品。唯一美中不足的是，這些藝術(shù)品往往都需要在電子顯微鏡下觀看。

  不足之處

  雖然雙光子激光直寫技術(shù)在微納尺度加工領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)也同樣明顯。

  用于雙光子激光直寫技術(shù)的光敏物質(zhì)種類很有限，往往只能加工光刻膠等特殊物質(zhì)；與老式膠片拍攝圖像的過程有些類似，光敏物質(zhì)經(jīng)過雙光子激光直寫后，往往也需要顯影和定影等過程，將打印的3D物體固定下來，因此加工過程更為繁瑣；由于加工精度高，而且往往是單點(diǎn)掃描加工，因此速率較慢，雖然不少改進(jìn)版本的產(chǎn)品加入了振鏡系統(tǒng)，可以提高加工效率，但相比之下仍耗時(shí)許久，再加上高精度平移臺(tái)要借助壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)，行程較短，雖然可以通過機(jī)械移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行拼接，但是拼接處加工精度會(huì)陡然降低，因此該技術(shù)目前尚難以加工大尺度的產(chǎn)品。

  此外，這項(xiàng)技術(shù)能夠成功的關(guān)鍵很大程度上是納米級(jí)移動(dòng)精度的三維平移臺(tái)，因此運(yùn)動(dòng)模塊極其精密且昂貴，更需要相應(yīng)的檢測(cè)和控制系統(tǒng)，下圖是一臺(tái)典型雙光子直寫儀的基本配置，包括基本光學(xué)系統(tǒng)、振鏡模塊、定位系統(tǒng)（包括機(jī)械移動(dòng)和壓電陶瓷移動(dòng)）、自動(dòng)聚焦顯微系統(tǒng)、高精度顯微相機(jī)和配套軟件，可以看出，這樣一套系統(tǒng)需要從軟件到硬件的深度開發(fā)，所以通常設(shè)備價(jià)格高昂。