基于飛秒脈沖時空聚焦的快速、連續(xù)雙光子3D打印

來源：EngineeringForLife

多光子打印技術(shù)(MPL)目前已彰顯出能夠以亞微米分辨率打印任意微/納米尺寸的3D對象的強大能力。這一引人注目的打印技術(shù)的基本原理是通過超快激光照射光敏樹脂實現(xiàn)光聚合，由于兩個或多個光子的非線性吸收，光敏樹脂的聚合被限制在激光焦點上，因此，控制激光焦點的位置既可實現(xiàn)所需的3D結(jié)構(gòu)的制造。雖然這種掃描單個點的方法對于研究和概念驗證應(yīng)用非常有用，但它本身打印效率較低，因此，目前的關(guān)鍵問題在于如何使這種獨特的打印技術(shù)能夠滿足大規(guī)模制造的需要。

為解決這一問題，來著Purdue University的Xianfan Xu以及Liang Pan團隊在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了題為“Rapid, continuous projection multi-photon 3D printing enabled by spatiotemporal focusing of femtosecond pulses”的文章，提出了一種多光子打印與時空聚焦相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了快速、逐層和連續(xù)的微米和亞微米級三維結(jié)構(gòu)打印。

首先，研究人員搭建了一種雙光子打印系統(tǒng)，其使用DMD芯片來實現(xiàn)時間聚焦，使用組合透鏡實現(xiàn)空間聚焦，使用再生放大飛秒激光器作為光源。其基本原理是將DMD芯片的微鏡陣列作為光柵來實現(xiàn)飛秒激光脈沖的色散，從而將激光脈沖中不同波長的部分分離，這些不同波長的成分分離時，脈沖的強度降低，即便照射樹脂也無法使其聚合，然而，當(dāng)這些不同波長的成分通過物鏡開始向透鏡焦平面運動時，它們重新匯聚并組合成高強度的脈沖，使得焦平面處的光敏樹脂聚合，當(dāng)脈沖通過焦平面后，不同波長的成分又會再次分離，使得脈沖強度再次降低，無法使樹脂聚合，從而實現(xiàn)單層的打印。由于DMD芯片本身可以快速提供動態(tài)圖案，因此整套系統(tǒng)只需改變物鏡焦距便可以快速、連續(xù)的完成三維物體的打印。

圖1 連續(xù)、逐層投影雙光子打印系統(tǒng)：a、打印系統(tǒng)示意圖，省略反射鏡和觀測成像系統(tǒng)。通過π整形器將高斯空間激光輪廓變換為平頂光強。透鏡L1（f=100mm）和L2（f=150mm）擴大光束直徑以填充DMD陣鏡區(qū)域。透鏡L3（f=300mm）收集衍射光，物鏡（OL）在液體光刻膠內(nèi)的打印平面上重新形成DMD圖案。在制造過程中，玻璃基板沿3個軸平移。激光脈沖強度在打印平面處最高，并且由于時間聚焦，在打印平面前后顯著降低。b、5×5×3單元晶格結(jié)構(gòu)的打印結(jié)果

然后，研究人員為進一步提高打印的精度，針對此種打印方法開發(fā)了一套數(shù)學(xué)模型，該模型能夠準(zhǔn)確地捕獲組合時空聚焦裝置中涉及的所有相關(guān)光學(xué)過程。

圖2 時空聚焦的模擬：a、DMD光柵定向。藍色虛線表示二維光柵，其間隔d1由鏡像柵格間距形成。橙色虛線表示由反射鏡傾斜形成間距d2的一維光柵。圖的下半部分表示處于“開”、“關(guān)”和“中性”狀態(tài)的像素對應(yīng)的DMD鏡像傾斜。b、焦平面附近的z方向I2峰值模擬。c、b圖中沿光軸的激光脈沖分布的歸一化I2。d、b圖中沿光軸的不同z位置的I2峰值

接著，研究人員對這一系統(tǒng)的空間打印能力進行了測試與分析，他們嘗試打印了單層寬度為2.28mm的大矩形圖案，并以此對打印參數(shù)進行了探究與優(yōu)化。

圖3 打印單層：a、不同曝光時間和激光強度的印刷層厚度和寬度。每一層印刷懸掛在兩個預(yù)制支架上。誤差條表示測量值的一個標(biāo)準(zhǔn)偏差。b、使用156Wcm-2光強與14ms曝光時間打印完成的單層結(jié)構(gòu)

為了進一步測試該系統(tǒng)打印亞微米特征結(jié)構(gòu)的能力，研究人員嘗試打印了細懸浮線圖案，結(jié)果表明，細線的最小寬度小于1微米，該系統(tǒng)具有一定的亞微米結(jié)構(gòu)打印能力。

圖4 打印懸掛線結(jié)構(gòu): a、打印線寬與打印平面投影圖案寬度的關(guān)系。誤差條表示測量的一個標(biāo)準(zhǔn)偏差。b、1.296微米寬度線的打印結(jié)果。c、打印線高與打印平面上投影圖案寬度的關(guān)系。誤差條表示測量值的一個標(biāo)準(zhǔn)偏差。d、1.116微米寬度線的打印結(jié)果

為進一步測試系統(tǒng)的性能，研究人員嘗試使用該系統(tǒng)進行復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的連續(xù)制造，結(jié)果顯示，所設(shè)計系統(tǒng)具有優(yōu)秀的三維分辨率與優(yōu)秀的打印效率，能夠快速打印復(fù)雜的三維曲面。

圖5 使用連續(xù)、逐層投影雙光子打印系統(tǒng)打印的3D結(jié)構(gòu)：所有結(jié)構(gòu)均采用100微米/秒的垂直打印速度。用于打印的模型包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)的嵌套。a、通過制造可與微透鏡陣列相媲美的半球陣列來證明系統(tǒng)彎曲表面打印能力。b、復(fù)雜的 trefoil 結(jié)結(jié)構(gòu)。c、芝加哥云門雕塑。d、特雷福爾結(jié)

接著，研究人員還嘗試打印了一些超材料結(jié)構(gòu)來評估系統(tǒng)的可擴展性。

圖6 宏觀尺度超材料結(jié)構(gòu)的快速3D打�。篴、材料單元的三維CAD剖面。b、 15×15×15單元超材料結(jié)構(gòu)，采用400微米/秒的垂直打印速度。c、b結(jié)構(gòu)側(cè)面的放大視圖，視角與基板法線約為57°。d、位于美國一美分硬幣邊緣的42×42×42單位超材料狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像。采用1毫米/秒的垂直打印速度，總打印時間約為2.3小時。e、d,f中結(jié)構(gòu)側(cè)面的放大視圖，與基板法線的視角約為65˚。結(jié)構(gòu)中的孔是缺少的單元，DMD在打印過程中無法觸發(fā)和顯示圖案

最后，研究人員還引入DMD的灰度功能，進一步拓展了打印系統(tǒng)的打印能力。

圖7 使用灰度投影調(diào)整結(jié)構(gòu)特征：灰度圖案投影，能夠?qū)崿F(xiàn)材料特性的實時調(diào)節(jié)。插圖中的百分比表示圖案的灰度水平。打印速度為 500微米/秒速度

參考文獻
Somers, P., Liang, Z., Johnson, J.E. et al. Rapid, continuous projection multi-photon 3D printing enabled by spatiotemporal focusing of femtosecond pulses. Light Sci Appl 10, 199 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00645-z