双光子3D打印技术突破，“分光束”实现1000万体素/秒创纪录

南极熊导读：可以实现微纳级超高精细度的双光子3D打印技术取得重大突破。

△比1欧元硬币还小的高复杂度零件（60立方毫米），实现了高精细度的3D打印，内部含有3000亿个体素

南极熊获悉，2020年1月，一篇论文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels) into Large Functional 3D Metamaterials》发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。它提出了一种“分光束”3D打印技术，可以实现从100 nm到100 μm大跨度尺寸的3D打印，以约1000万体素/秒的打印速率进行的多焦点双光子打印，大大超过了以前的技术，创造了新的世界纪录。

根据德国卡尔斯鲁厄理工学院科学家的说法，一般双光子3D打印技术允许每秒数十万个体素的最大打印速度（体素是3D网格中的单个数据点）。尽管这听起来可能非常快，但实际上实际上只有喷墨打印机产生2D图形速度的百分之一。

△用于规模并行双光子3D打印的设置方案。使用声光调制器（AOM，AA MT80-A1.5-IR）调制Ti：Sa激光（Spectra Physics MaiTai HP）的光束。棱镜压缩器对所获取的群时延色散进行预补偿。衍射光学元件（DOE）放在色散补偿望远镜（DCT）的入射光瞳处。光束通过偏振分束立方体（PBS）透射。DOE的图像在第二个无焦点继电器（LG1和LG2）中被放大两倍，然后使用另一个继电器（LG3和LG4）成像到检流镜（GX和GY）上。虚线表示坐标系的翻转。否则，第二个检流计会将光束指向纸平面外。在最终的继电器装置（LG5和LG6）中，DOE通过四分之一波片成像到物镜的瞳孔（Zeiss Plan-Apochromat 40×/ NA1.4 Oil DIC）中，并聚焦在样品上。显微镜载物台（Märzhäuser-WetzlarScan IM 120×100）在x和y方向上平移样品。压电惯性位移台（PI Q-545.140）沿z方向移动位移台。后向反射光聚焦到雪崩光电二极管（APD）上。

Karlsruhe的研究人员与澳大利亚昆士兰科技大学的研究者合作，设计了一种新系统，将通常的一束激光分成九束。所有这些“子光束”都独立但同时移动，每个子光束聚焦在光聚合反应不同区域上。结果实现了每秒大约1000万体素的3D打印速率，比之前的提高数十倍到上百倍！

△a）具有晶格常数a的手性3D超材料立方晶孢.

b）制备的手性超材料样品的照片（δ= 34.8°）。 该样本包含30×30×120 = 108 000 3D单位晶胞，其a =80μm（与激光聚焦阵列中的聚焦间距相同），因此体积为2.4×2.4×9.6 立方mm。 该样本包含大约3000亿个体素，峰值打印率为9000万个体素/秒。

c）当用633nm波长的激光曝光时，立方超材料晶体的劳厄衍射图。 这张照片被故意曝光过度，以显示更高的衍射级。 为了清楚起见，添加了样本照片。

在实验中，研究团队3D打印了一个大小为60立方毫米的矩形立方体，具有格子状的微米级复杂内部结构。它包含了超过3000亿体素。这种情况下，表现为实际3D打印体积过程的速度的两大因素包括：

• 3D打印的速率，也就是单位时间内可以打印的体素的个数。

• 3D打印的精度，也就是最小的可打印体素点的尺寸。

3D打印体积的速度= 体素3D打印速率（个数）乘以 单个体素体积 。

△a）3D打印衍射光学元件（DOE）的扫描电子显微照片。 这种DOE用于规模并行双光子3D打印的设置方案中，可将一个入射激光束分成3×3 = 9个子束。 b）DOE的特写视图。 像素的大小为2×2 μm2，由8个不同的高度级别组成。 c）DOE旁边的公制尺的光学照片。 基板是标准的显微镜盖玻片，尺寸为22×22 mm2。 d）使用CMOS相机对DOE进行归一化的假色强度测量。 DOE用直径为1.2 mm的中心波长为790 nm的飞秒脉冲激光束照射，并放置在50 mm焦距透镜的后焦平面中。

△不同的3D打印制造方法，与体素尺寸和打印速率的关系。上水平标度表示体素大小本身，右垂直标度表示打印速率。电子束诱导沉积（EBID，红色正方形），选择性激光烧结（SLS，深红色菱形），电液动力学（氧化还原）打印（EHDP，浅蓝色左指向三角形），直接墨水书写（DIW，浅色）蓝色向下指向的三角形），熔丝制造（FFF，蓝色右指向三角形），喷墨3D打印（IJ，深蓝色向上指向的三角形），投影微立体光刻（PμSL，浅绿色圆盘），连续液面打印（CLIP，深绿色圆圈），计算机轴向光刻（CAL，黄色星号）和双光子打印（2PP，红色方块）。在正文中给出了所描绘的数据点下面的参考。标记为“这项工作”的大红色方块强调了当前工作在最佳情况下的体素大小（400纳米）和900万体素/秒的打印速度下的结果。第二个连接点显示了相同的结果，在激光焦点的3×3阵列中使用平均体素大小。

科学家希望对此进一步开发，该技术可以在光学和光子学、材料科学、生物工程和安全工程等领域找到应用。

2020年1月发表在《Advanced Functional Materials》杂志上的论文《Rapid Assembly of Small Materials Building Blocks (Voxels)
into Large Functional 3D Metamaterials》

Hahn_et_al-2020-Advanced_Functional_Materials.pdf (1.61 MB)