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不可思议的微纳造物技术:很大程度改善粗糙度和精度

       相信绝大多数人对“3D由于桌面级家用小型,打印这个概念并不陌生3D打印机已经进入千家万户,很多学校或机构都购买了专业水平3D为学生或用户使用打印机3D以打印机为核心的教育课程在各大城市如雨后春笋般涌现。

       从各个方面来看,目前的3D印刷已进入细分市场阶段:从价格上看,有较便宜的家用桌面级小型3D打印机也有大型工业级,用于实际工业生产3D打印机;从打印材料来看,有的是树脂、塑料、金属,有的甚至粘土。

以粘土为原料3D打印机

       但是,因为通常3D无论是桌面级还是工业级,打印机都是基于分层制造的原理,3D由于所谓的台阶效应,印刷物体层的精度非常有限3D打印机难以制造低粗糙度、高精度的设备,如各种光学元件、微纳尺度结构设备等。

       从另一个角度来看,今天要介绍的技术大大提高了粗糙度和精度。它被称为双光子3D准确地说,印刷应该被称为双光子激光直写技术,也被称为双光子聚合技术(Two-photon polymerization (2PP) technology)”。

       要准确描述这项技术,首先要了解什么是双光子吸收效应。

       双光子吸收效应

       我们非常熟悉物质能吸收光。一些创造技术是基于此。例如,紫外线光聚合物逐渐固化,从液体和胶体转化为固体。该技术的一个常见应用是牙科诊所用光敏物质填充牙齿。

       绝大多数物质以光子为基本单位吸收光子,一次只能吸收一个光子。然而,在一些特殊物质中,由于特殊的能级过渡模式,也会同时吸收多个(几个甚至几十个)光子,即多光子吸收效应。

       然而,这种效应的条件非常苛刻,通常需要特定的物质和高能量密度。双光子吸收效应是这种效应的典型代表。在双光子吸收过程中,材料分子从基态转移到激发态,中间通过虚拟能量级完成。

       通常,物质和光的相互作用是线性的。普通物体对特定波长的光透射率有一定的吸收率,不会随着光强度的变化而变化,因此这种作用是线性的。但双光子吸收是一种三级非线性效应,即随着光能密度的增加,效应迅速增强。

不可思议的微纳造物技术:很大程度改善粗糙度和精度

不可思议的微纳造物技术:很大程度改善粗糙度和精度

线性和非线性吸收效应曲线示意图

       借助这种非线性双光子吸收效应,科学家将微纳尺度3D印刷已成为现实。

       只有当光强增强到一定值时,才会出现更明显的双光子吸收效应。利用这一点,我们可以将反应区域限制在焦点附近的一个非常小的位置。通过精密移动平台纳米级的移动,焦点在光敏物质中移动,聚焦的微纳米斑点通过位置,光敏物质变性和固化,可以打印任何形状3D物体。

       用这种方法打印的微纳物体最大的特点是精度高,可以达到理论精度100nm这就是传统3D印刷方法难以企及。

不可思议的微纳造物技术:很大程度改善粗糙度和精度

双光子激光直写技术原理示意图(https://3dprintingindustry.com/news/77339-77339/)

       应用于科研

       这种微纳尺度3D打印机为科学家设计和加工各种过去只能模拟的微纳结构提供了强有力的手段,并通过实验测试其性质。特别是在光学研究领域,有许多基于双光子激光直接写作技术的研究工作。

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