基于飞秒脉冲时空聚焦的快速、连续双光子3D打印

来源：EngineeringForLife

多光子打印技术(MPL)目前已彰显出能够以亚微米分辨率打印任意微/纳米尺寸的3D对象的强大能力。这一引人注目的打印技术的基本原理是通过超快激光照射光敏树脂实现光聚合，由于两个或多个光子的非线性吸收，光敏树脂的聚合被限制在激光焦点上，因此，控制激光焦点的位置既可实现所需的3D结构的制造。虽然这种扫描单个点的方法对于研究和概念验证应用非常有用，但它本身打印效率较低，因此，目前的关键问题在于如何使这种独特的打印技术能够满足大规模制造的需要。

为解决这一问题，来着Purdue University的Xianfan Xu以及Liang Pan团队在Light: Science & Applications期刊上发表了题为“Rapid, continuous projection multi-photon 3D printing enabled by spatiotemporal focusing of femtosecond pulses”的文章，提出了一种多光子打印与时空聚焦相结合的方法，实现了快速、逐层和连续的微米和亚微米级三维结构打印。

首先，研究人员搭建了一种双光子打印系统，其使用DMD芯片来实现时间聚焦，使用组合透镜实现空间聚焦，使用再生放大飞秒激光器作为光源。其基本原理是将DMD芯片的微镜阵列作为光栅来实现飞秒激光脉冲的色散，从而将激光脉冲中不同波长的部分分离，这些不同波长的成分分离时，脉冲的强度降低，即便照射树脂也无法使其聚合，然而，当这些不同波长的成分通过物镜开始向透镜焦平面运动时，它们重新汇聚并组合成高强度的脉冲，使得焦平面处的光敏树脂聚合，当脉冲通过焦平面后，不同波长的成分又会再次分离，使得脉冲强度再次降低，无法使树脂聚合，从而实现单层的打印。由于DMD芯片本身可以快速提供动态图案，因此整套系统只需改变物镜焦距便可以快速、连续的完成三维物体的打印。

图1 连续、逐层投影双光子打印系统：a、打印系统示意图，省略反射镜和观测成像系统。通过π整形器将高斯空间激光轮廓变换为平顶光强。透镜L1（f=100mm）和L2（f=150mm）扩大光束直径以填充DMD阵镜区域。透镜L3（f=300mm）收集衍射光，物镜（OL）在液体光刻胶内的打印平面上重新形成DMD图案。在制造过程中，玻璃基板沿3个轴平移。激光脉冲强度在打印平面处最高，并且由于时间聚焦，在打印平面前后显著降低。b、5×5×3单元晶格结构的打印结果

然后，研究人员为进一步提高打印的精度，针对此种打印方法开发了一套数学模型，该模型能够准确地捕获组合时空聚焦装置中涉及的所有相关光学过程。

图2 时空聚焦的模拟：a、DMD光栅定向。蓝色虚线表示二维光栅，其间隔d1由镜像栅格间距形成。橙色虚线表示由反射镜倾斜形成间距d2的一维光栅。图的下半部分表示处于“开”、“关”和“中性”状态的像素对应的DMD镜像倾斜。b、焦平面附近的z方向I2峰值模拟。c、b图中沿光轴的激光脉冲分布的归一化I2。d、b图中沿光轴的不同z位置的I2峰值

接着，研究人员对这一系统的空间打印能力进行了测试与分析，他们尝试打印了单层宽度为2.28mm的大矩形图案，并以此对打印参数进行了探究与优化。

图3 打印单层：a、不同曝光时间和激光强度的印刷层厚度和宽度。每一层印刷悬挂在两个预制支架上。误差条表示测量值的一个标准偏差。b、使用156Wcm-2光强与14ms曝光时间打印完成的单层结构

为了进一步测试该系统打印亚微米特征结构的能力，研究人员尝试打印了细悬浮线图案，结果表明，细线的最小宽度小于1微米，该系统具有一定的亚微米结构打印能力。

图4 打印悬挂线结构: a、打印线宽与打印平面投影图案宽度的关系。误差条表示测量的一个标准偏差。b、1.296微米宽度线的打印结果。c、打印线高与打印平面上投影图案宽度的关系。误差条表示测量值的一个标准偏差。d、1.116微米宽度线的打印结果

为进一步测试系统的性能，研究人员尝试使用该系统进行复杂三维结构的连续制造，结果显示，所设计系统具有优秀的三维分辨率与优秀的打印效率，能够快速打印复杂的三维曲面。

图5 使用连续、逐层投影双光子打印系统打印的3D结构：所有结构均采用100微米/秒的垂直打印速度。用于打印的模型包括复杂结构的嵌套。a、通过制造可与微透镜阵列相媲美的半球阵列来证明系统弯曲表面打印能力。b、复杂的 trefoil 结结构。c、芝加哥云门雕塑。d、特雷福尔结

接着，研究人员还尝试打印了一些超材料结构来评估系统的可扩展性。

图6 宏观尺度超材料结构的快速3D打印：a、材料单元的三维CAD剖面。b、 15×15×15单元超材料结构，采用400微米/秒的垂直打印速度。c、b结构侧面的放大视图，视角与基板法线约为57°。d、位于美国一美分硬币边缘的42×42×42单位超材料状结构的光学图像。采用1毫米/秒的垂直打印速度，总打印时间约为2.3小时。e、d,f中结构侧面的放大视图，与基板法线的视角约为65˚。结构中的孔是缺少的单元，DMD在打印过程中无法触发和显示图案

最后，研究人员还引入DMD的灰度功能，进一步拓展了打印系统的打印能力。

图7 使用灰度投影调整结构特征：灰度图案投影，能够实现材料特性的实时调节。插图中的百分比表示图案的灰度水平。打印速度为 500微米/秒速度

参考文献
Somers, P., Liang, Z., Johnson, J.E. et al. Rapid, continuous projection multi-photon 3D printing enabled by spatiotemporal focusing of femtosecond pulses. Light Sci Appl 10, 199 (2021)
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00645-z