研究人員開發(fā)一種雙激光方法可以降低高分辨率3D打印的成本

2024年7月3日，南極熊獲悉，普渡大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型雙光子聚合技術(shù)，利用兩束激光來3D打印復(fù)雜的高分辨率結(jié)構(gòu)。

△激光閾值功率約為50%時的3D打印結(jié)構(gòu)。標(biāo)尺：5微米

傳統(tǒng)的雙光子聚合技術(shù)通常使用昂貴的飛秒激光器，這限制了它在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，盡管該技術(shù)非常適合制造高分辨率微結(jié)構(gòu)。為了解決成本和效率問題，研究團(tuán)隊結(jié)合了可見光激光器和紅外脈沖飛秒激光器，降低了飛秒激光器的功率需求，并提高了打印吞吐量。

△該研究的題目為“基于集成光纖耦合激光二極管的兩步吸收技術(shù)的高分辨率3D納米打印技術(shù)”（傳送門）

研究人員在《Optics Express,》雜志上指出，他們的雙激光方法能夠?qū)⑺�需的飛秒激光3D打印功率降低多達(dá)50%。這一創(chuàng)新不僅有助于降低單個部件的制造成本，還提升了打印過程的效率和可行性，為3D打印技術(shù)在復(fù)雜組件制造和定制產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。

普渡大學(xué)研究小組負(fù)責(zé)人Xianfan Xu說道：“高分辨率3D打印有很多應(yīng)用，包括3D電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微型機(jī)器人以及組織工程的三維結(jié)構(gòu)或支架。我們新穎的3D打印方法可以在許多現(xiàn)有的飛秒激光3D打印系統(tǒng)中輕松實現(xiàn)�！�

△動圖顯示僅使用飛秒激光以50%的閾值功率進(jìn)行打印，結(jié)果打印不成功（左圖）。當(dāng)?shù)诙�臺激光器（綠色）與飛秒激光器一起使用50%的閾值功率時，打印成功

找到正確的激光平衡

這項新工作是研究團(tuán)隊努力提高雙光子聚合印刷速度和降低打印成本的一部分。雙光子聚合利用雙光子吸收現(xiàn)象來精確固化或凝固光敏材料。

Xu說道：“在傳統(tǒng)的雙光子聚合3D打印過程中，飛秒激光首先用于啟動光化學(xué)過程，減少打印前材料中的抑制物種。我們采用了低成本激光器來實現(xiàn)這一目的�！�

新方法結(jié)合了532納米納秒激光的單光子吸收和800納米飛秒激光的雙光子吸收。為使其有效，研究人員必須在兩種激光的打印和抑制效果之間找到適當(dāng)?shù)钠胶狻?br />
為此，他們創(chuàng)建了一個新的數(shù)學(xué)模型，幫助他們理解相關(guān)的光化學(xué)過程，并計算雙光子和單光子激發(fā)過程的綜合效應(yīng)。利用該模型，他們還確定了控制飛秒激光功率降低程度的主要過程，以獲得理想的打印效果。

△一種新的雙光子聚合技術(shù)將相對低成本的納秒脈沖激光器與低功率的飛秒激光器相結(jié)合，從而能夠以較低的激光功率3D打印復(fù)雜的高分辨率結(jié)構(gòu)

打印高分辨率結(jié)構(gòu)

在對新方法進(jìn)行微調(diào)后，他們利用這種方法，以較低的飛秒激光功率打印出各種二維和三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括尺寸僅為25×25×10μm的精細(xì)木樁，以及微米級降壓球、手性結(jié)構(gòu)和三葉形結(jié)。實驗結(jié)果表明，新方法將二維結(jié)構(gòu)所需的飛秒激光功率降低了80%，將三維結(jié)構(gòu)所需的飛秒激光功率降低了約50%。

這一進(jìn)展可以降低高分辨率3D打印工藝的成本，幫助它在各種應(yīng)用中得到更廣泛的應(yīng)用。Xu補充道：“這種新的打印方法可能會對制造技術(shù)產(chǎn)生影響，影響現(xiàn)在和未來消費電子和醫(yī)療保健領(lǐng)域的設(shè)備開發(fā)�！�