微納光固化3D打印提速1000倍，《Science》飛秒投影雙光子光刻技術(shù)

南極熊導(dǎo)讀：2019年10月，微納微納光固化3D打印提速1000倍，《Science》刊登飛秒投影雙光子光刻技術(shù)。

增材制造技術(shù)使用單點(diǎn)高強(qiáng)度光（通常直徑約為700至800納米）將光敏聚合物材料從液體轉(zhuǎn)換為固體。 由于該點(diǎn)必須掃描整個(gè)要制造的結(jié)構(gòu)，因此現(xiàn)有的TPL技術(shù)可能需要許多小時(shí)才能生成復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，這限制了它在實(shí)際應(yīng)用中按比例放大的能力。
△通過(guò)重疊3D空間中的多個(gè)投影生成的堆疊納米級(jí)3D環(huán)形結(jié)構(gòu)。 通過(guò)這種深度解析的納米級(jí)3D打印技術(shù)可以生成任意復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。

“我們可以同時(shí)投影一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，而不是使用單個(gè)光點(diǎn)（...），從而極大地提高了速度，因?yàn)槲覀兛梢允褂谜麄�(gè)平面，來(lái)代替使用必須掃描的單個(gè)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的方法。 對(duì)于投射光， 我們沒有聚焦一個(gè)點(diǎn)，而是擁有一個(gè)可以被圖案化為任意結(jié)構(gòu)的整個(gè)聚焦平面。”美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sourabh Saha說(shuō)道。這個(gè)技術(shù)，其實(shí)在我們熟知的3D打印技術(shù)中，就是DLP面曝光3D打印技術(shù)。



美國(guó)加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Sourabh K. Saha和香港中文大學(xué)Shih-Chi Chen合作提出一種通過(guò)超快激光打印亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過(guò)投影2D聚焦平面構(gòu)筑3D模型。這種方法在不犧牲分辨率的情況下將傳統(tǒng)方法的產(chǎn)率提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。能夠在8分鐘的時(shí)間內(nèi)打印出傳統(tǒng)TPL方法幾個(gè)小時(shí)才能完成的結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文以Scalable submicrometer additive manufacturing為題發(fā)表在《Science》上。

研究人員多年來(lái)一直致力于加速用于生產(chǎn)納米級(jí)3D結(jié)構(gòu)的雙光子光刻工藝。 他們的成功來(lái)自采用一種不同的聚焦光的方法，即利用其時(shí)域特性，從而可以生產(chǎn)出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。飛秒激光的使用能夠保持足夠的光強(qiáng)度，以觸發(fā)雙光子過(guò)程聚合，同時(shí)保持較小的點(diǎn)尺寸。 在FP-TPL技術(shù)中，飛秒脈沖經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)會(huì)被拉伸和壓縮，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間聚焦。該過(guò)程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征，并且需要兩個(gè)光子同時(shí)撞擊液體前驅(qū)物分子。




FP-TPL的單層容量處理速率超過(guò)現(xiàn)有TPL技術(shù)至少三個(gè)數(shù)量級(jí)。我們的3D打印速率超過(guò)現(xiàn)有最快的TPL技術(shù)，其中多孔結(jié)構(gòu)超過(guò)90多倍，非孔結(jié)構(gòu)超過(guò)450倍。FP-TPL方法能夠打印復(fù)雜3D亞微米特征結(jié)構(gòu)圖案。FP-TPL可實(shí)現(xiàn)高軸向分辨率。另一個(gè)FP-TPL優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的是打印曲線的能力（圖 2E），在分段線性路徑離散近似過(guò)程中，無(wú)需分段加速和減速。這在很大程度上增加打印效率。還允許打印具90°懸伸的長(zhǎng)懸架橋結(jié)構(gòu)（圖2G）。FP-TPL的打印量、分辨率和模式靈活性使其成為一項(xiàng)有吸引力的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的批量制造，可能使用在機(jī)械和光學(xué)超材料，微光學(xué)、生物支架，電化學(xué)接口和柔性電子器件多種領(lǐng)域。是一項(xiàng)具有實(shí)用性的革新技術(shù)。


△基于時(shí)空聚焦的飛秒激光投影TPL。（A）使用數(shù)字掩模3D打印亞微米級(jí)別的逐層投影。（B）制造裝置的示意圖。通過(guò)將微鏡陣列的圖像投影到光敏聚合物上。通過(guò)飛秒激光聚焦產(chǎn)生較大的強(qiáng)度梯度，可以將打印限制在厚度小于1 mm的層上。L1是指準(zhǔn)直透鏡，L2是指物鏡。飛秒脈沖在通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)拉伸和壓縮。微鏡陣列在光譜上分離了飛秒脈沖的不同波長(zhǎng)和拉伸它，而物鏡將脈沖聚焦在時(shí)域中。微鏡陣列L1和L2以類似4f的光學(xué)裝置設(shè)置，以確保在微鏡陣列和物鏡L2的焦平面之間所有波長(zhǎng)的光路長(zhǎng)度相等，但在其他點(diǎn)之間不同波長(zhǎng)的光路長(zhǎng)度不相等。（C）物鏡焦距中時(shí)間聚焦的放大示意圖，其中最短的脈沖僅在焦平面處形成。



△通過(guò)飛秒投影TPL打印復(fù)雜的亞微米分辨率3D結(jié)構(gòu)。（A到C）在美國(guó)硬幣的頂部反光面，具有亞微米級(jí)特征的毫米級(jí)結(jié)構(gòu)。在8分20秒內(nèi)打印出2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm長(zhǎng)方體，證明了3D打印速度為8.7 mm3/小時(shí)。傳統(tǒng)技術(shù)將需要幾個(gè)小時(shí)才能打印出該長(zhǎng)方體。（D）通過(guò)堆疊2D層進(jìn)行打印的3D微柱，表明打印的均勻性達(dá)到了商業(yè)級(jí)別。（E和F）通過(guò)印刷的螺旋結(jié)構(gòu)單個(gè)層的投影，顯示了在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)快速打印曲線結(jié)構(gòu)的能力。（G到J）通過(guò)拼接多個(gè)懸垂的3D結(jié)構(gòu)2D投影展示了打印深度解析特征的能力。（G）中的橋結(jié)構(gòu)，呈90°懸垂角，用傳統(tǒng)的TPL技術(shù)或任何其他技術(shù)，很難精確打印這樣的結(jié)構(gòu)。



△印刷納米線展示了FP-TPL的納米級(jí)分辨率。在不同條件下打印的納米線（A）寬度（橫向）和（B）高度（軸向）。投影DMD圖案中線條的寬度從3像素變化到6像素，固定周期為30像素。每個(gè)像素（px）映射到投影圖像中為151 nm。HP，MP，和LP分別表示高（42 nW / px），中（39 nW / px）和低（35 nW / px）平均功率。特定標(biāo)記的形狀代表以相同功率水平產(chǎn)生的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及特定顏色表示相同的線寬。使用飛秒激光進(jìn)行打印，其中心波長(zhǎng)為800 nm，標(biāo)稱脈沖寬度為35 fs，數(shù)值孔徑為60×1.25物鏡。（C和D）納米線的掃描電子顯微鏡圖像。


△FP-TPL的速率和分辨率與過(guò)去的TPL的比較

論文原文https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105
部分內(nèi)容翻譯自“高分子科學(xué)前沿”