微纳光固化3D打印提速1000倍，《Science》飞秒投影双光子光刻技术

南极熊导读：2019年10月，微纳微纳光固化3D打印提速1000倍，《Science》刊登飞秒投影双光子光刻技术。

增材制造技术使用单点高强度光（通常直径约为700至800纳米）将光敏聚合物材料从液体转换为固体。 由于该点必须扫描整个要制造的结构，因此现有的TPL技术可能需要许多小时才能生成复杂的3D结构，这限制了它在实际应用中按比例放大的能力。
△通过重叠3D空间中的多个投影生成的堆叠纳米级3D环形结构。 通过这种深度解析的纳米级3D打印技术可以生成任意复杂的3D结构。

“我们可以同时投影一百万个点，而不是使用单个光点（...），从而极大地提高了速度，因为我们可以使用整个平面，来代替使用必须扫描的单个点来创建结构的方法。 对于投射光， 我们没有聚焦一个点，而是拥有一个可以被图案化为任意结构的整个聚焦平面。”美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室Sourabh Saha说道。这个技术，其实在我们熟知的3D打印技术中，就是DLP面曝光3D打印技术。



美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室Sourabh K. Saha和香港中文大学Shih-Chi Chen合作提出一种通过超快激光打印亚微米结构的技术。通过投影2D聚焦平面构筑3D模型。这种方法在不牺牲分辨率的情况下将传统方法的产率提高了三个数量级。能够在8分钟的时间内打印出传统TPL方法几个小时才能完成的结构。相关论文以Scalable submicrometer additive manufacturing为题发表在《Science》上。

研究人员多年来一直致力于加速用于生产纳米级3D结构的双光子光刻工艺。 他们的成功来自采用一种不同的聚焦光的方法，即利用其时域特性，从而可以生产出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。飞秒激光的使用能够保持足够的光强度，以触发双光子过程聚合，同时保持较小的点尺寸。 在FP-TPL技术中，飞秒脉冲经过光学系统时会被拉伸和压缩，以实现时间聚焦。该过程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征，并且需要两个光子同时撞击液体前驱物分子。




FP-TPL的单层容量处理速率超过现有TPL技术至少三个数量级。我们的3D打印速率超过现有最快的TPL技术，其中多孔结构超过90多倍，非孔结构超过450倍。FP-TPL方法能够打印复杂3D亚微米特征结构图案。FP-TPL可实现高轴向分辨率。另一个FP-TPL优于传统技术的是打印曲线的能力（图 2E），在分段线性路径离散近似过程中，无需分段加速和减速。这在很大程度上增加打印效率。还允许打印具90°悬伸的长悬架桥结构（图2G）。FP-TPL的打印量、分辨率和模式灵活性使其成为一项有吸引力的技术，可实现微纳米结构的批量制造，可能使用在机械和光学超材料，微光学、生物支架，电化学接口和柔性电子器件多种领域。是一项具有实用性的革新技术。


△基于时空聚焦的飞秒激光投影TPL。（A）使用数字掩模3D打印亚微米级别的逐层投影。（B）制造装置的示意图。通过将微镜阵列的图像投影到光敏聚合物上。通过飞秒激光聚焦产生较大的强度梯度，可以将打印限制在厚度小于1 mm的层上。L1是指准直透镜，L2是指物镜。飞秒脉冲在通过光学系统实现拉伸和压缩。微镜阵列在光谱上分离了飞秒脉冲的不同波长和拉伸它，而物镜将脉冲聚焦在时域中。微镜阵列L1和L2以类似4f的光学装置设置，以确保在微镜阵列和物镜L2的焦平面之间所有波长的光路长度相等，但在其他点之间不同波长的光路长度不相等。（C）物镜焦距中时间聚焦的放大示意图，其中最短的脉冲仅在焦平面处形成。



△通过飞秒投影TPL打印复杂的亚微米分辨率3D结构。（A到C）在美国硬币的顶部反光面，具有亚微米级特征的毫米级结构。在8分20秒内打印出2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm长方体，证明了3D打印速度为8.7 mm3/小时。传统技术将需要几个小时才能打印出该长方体。（D）通过堆叠2D层进行打印的3D微柱，表明打印的均匀性达到了商业级别。（E和F）通过印刷的螺旋结构单个层的投影，显示了在几毫秒的时间内快速打印曲线结构的能力。（G到J）通过拼接多个悬垂的3D结构2D投影展示了打印深度解析特征的能力。（G）中的桥结构，呈90°悬垂角，用传统的TPL技术或任何其他技术，很难精确打印这样的结构。



△印刷纳米线展示了FP-TPL的纳米级分辨率。在不同条件下打印的纳米线（A）宽度（横向）和（B）高度（轴向）。投影DMD图案中线条的宽度从3像素变化到6像素，固定周期为30像素。每个像素（px）映射到投影图像中为151 nm。HP，MP，和LP分别表示高（42 nW / px），中（39 nW / px）和低（35 nW / px）平均功率。特定标记的形状代表以相同功率水平产生的数据点，以及特定颜色表示相同的线宽。使用飞秒激光进行打印，其中心波长为800 nm，标称脉冲宽度为35 fs，数值孔径为60×1.25物镜。（C和D）纳米线的扫描电子显微镜图像。


△FP-TPL的速率和分辨率与过去的TPL的比较

论文原文https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105
部分内容翻译自“高分子科学前沿”