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納米級(jí)打印，國(guó)內(nèi)在雙光子聚合技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展

雙光子聚合技術(shù)(2PP)是一種“納米光學(xué)”3D打印方法，類(lèi)似于光固化快速成型技術(shù)，未來(lái)學(xué)家 Christopher Barnatt認(rèn)為這種技術(shù)未來(lái)可能會(huì)成為主流3D打印形式。

國(guó)際上，維也納科技大學(xué)的科學(xué)家們一致致力于提高感光性樹(shù)脂性能和成像技術(shù)。而英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院還通過(guò)德國(guó)的Nanoscribe設(shè)備打印出只有100微米長(zhǎng)的中國(guó)長(zhǎng)城模型贈(zèng)送給習(xí)主席。


來(lái)源:NanoScribe設(shè)備打印出來(lái)的長(zhǎng)城模型

挑戰(zhàn)
微小的尺度

NanoScribe這樣的雙光子聚合技術(shù)潛在的應(yīng)用范圍和影響力是很特殊的。其應(yīng)用領(lǐng)域包括：

光子學(xué) (Photonics):光子晶體、超穎材料、激光分布回饋術(shù)(DFB Lasers) 光子共振環(huán)、繞射光學(xué)

微光子學(xué) (Micro Optics):微光學(xué)器件、整合型光學(xué)

微流道技術(shù) (Micro Fluidics):生醫(yī)芯片系統(tǒng)、物質(zhì)研究開(kāi)發(fā)與分析、三維基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 與 微流道通路

生命科學(xué) (Life Sciences):細(xì)胞外數(shù)組結(jié)構(gòu)、干細(xì)胞分離術(shù)、細(xì)胞成長(zhǎng)研究、細(xì)胞遷移研究、組織工程

納米與微米工藝 (Nano- and Microtechnology):超細(xì)分辨率光學(xué)掩膜、壁虎與蓮花效應(yīng)分析

雙光子聚合技術(shù)的原理是通過(guò)使用“飛秒脈沖激光”選擇性固化感光樹(shù)脂。聽(tīng)起來(lái)似乎像光固化快速成型，區(qū)別在于雙光子聚合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小層厚和X-Y軸分辨率均在100納米和200納米之間。換句話說(shuō)2PP 3D打印技術(shù)比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍，打印出來(lái)的東西比細(xì)菌還小。

鏡子的移動(dòng)是2PP技術(shù)的一大核心，通過(guò)鏡子來(lái)引導(dǎo)的激光必須十分精準(zhǔn)，而鏡子在打印過(guò)程中處于不斷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)中，所以運(yùn)動(dòng)頻率必須要調(diào)整得十分精準(zhǔn)。

在國(guó)內(nèi)，據(jù)市場(chǎng)研究結(jié)果，從事雙光子聚合技術(shù)研究的代表機(jī)構(gòu)是清華大學(xué)深圳研究生院。如下圖所示，清華大學(xué)深圳研究院的設(shè)備特征在于：飛秒激光脈沖系統(tǒng)的光路上還具有反射鏡和擴(kuò)束鏡，從飛秒激光器到物鏡，光路開(kāi)關(guān)、衰減片、擴(kuò)束鏡、反射鏡、分色鏡順次設(shè)置；打印中，飛秒激光器產(chǎn)生雙光子激光，經(jīng)過(guò)光路開(kāi)關(guān)、衰減片、擴(kuò)束鏡、反射鏡和物鏡將激光聚焦，來(lái)使光敏樹(shù)脂交聯(lián)。


圖:深圳清華研究生院的雙光子聚合技術(shù)原理

與國(guó)外所采用的嵌入到樹(shù)脂內(nèi)的“引發(fā)劑”分子類(lèi)似，清華大學(xué)深圳研究院所使用的光敏樹(shù)脂中的光敏劑在光子強(qiáng)度高的焦點(diǎn)處才產(chǎn)生雙光子聚合。

相對(duì)于普通的SLA3D打印光聚合采用紫外波長(zhǎng)的激光(250-400nm)，光子能量高，光經(jīng)過(guò)的地方均發(fā)生聚合，清華大學(xué)深圳研究院的雙光子聚合采用近紅外波長(zhǎng)(600-1000nm)的激光，近紅外波長(zhǎng)光子能量低，線性吸收及瑞利散射小，在介質(zhì)中穿透性高，引發(fā)劑或光敏劑在光子強(qiáng)度高的焦點(diǎn)處才會(huì)產(chǎn)生雙光子聚合，進(jìn)而引發(fā)液態(tài)樹(shù)脂發(fā)生聚合而固化。

另外，相比于傳統(tǒng)的單光子聚合的SLA 3D打印機(jī)技術(shù)，由于材料的雙光子吸收速率與入射光功率密度的平方成正比，材料被激發(fā)的速率在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的方向衰減的更為迅速，因此，由雙光子吸收引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)將被局限在光功率密度很高的焦點(diǎn)周?chē)鷺O小的區(qū)域內(nèi)，光束途經(jīng)的其它部分幾乎不受影響。

值得一提的是如此微小的產(chǎn)品打印采用的模型切片軟件也是特殊的，清華大學(xué)深圳研究院采用模型切片軟件Cura，Skeinforge和Ferry等，在切片的過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)層高，光斑直徑，來(lái)對(duì)應(yīng)于打印的精度，得到合適的打印路徑。

為了讓雙光子聚合3D打印機(jī)達(dá)到微納尺度的加工精度。清華大學(xué)深圳研究院進(jìn)一步將所有的設(shè)備安裝在主動(dòng)去震平臺(tái)上，以保證絕對(duì)的精度和穩(wěn)定。通過(guò)超高精度的滑臺(tái)和超高精度的雙光子聚合范圍相互匹配，實(shí)現(xiàn)了高精度的打印。

在3D打印領(lǐng)域的一個(gè)有趣現(xiàn)象是，當(dāng)國(guó)外出現(xiàn)一種技術(shù)苗頭的時(shí)候，基本上國(guó)內(nèi)很快就會(huì)有類(lèi)似的技術(shù)對(duì)標(biāo)國(guó)外的技術(shù)。這些國(guó)內(nèi)的技術(shù)通常出現(xiàn)在高校，這使得從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)化的過(guò)程變得尤為重要。
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