研究人员开发一种双激光方法可以降低高分辨率3D打印的成本

2024年7月3日，南极熊获悉，普渡大学的研究人员开发出一种新型双光子聚合技术，利用两束激光来3D打印复杂的高分辨率结构。

△激光阈值功率约为50%时的3D打印结构。标尺：5微米

传统的双光子聚合技术通常使用昂贵的飞秒激光器，这限制了它在制造业中的广泛应用，尽管该技术非常适合制造高分辨率微结构。为了解决成本和效率问题，研究团队结合了可见光激光器和红外脉冲飞秒激光器，降低了飞秒激光器的功率需求，并提高了打印吞吐量。

△该研究的题目为“基于集成光纤耦合激光二极管的两步吸收技术的高分辨率3D纳米打印技术”（传送门）

研究人员在《Optics Express,》杂志上指出，他们的双激光方法能够将所需的飞秒激光3D打印功率降低多达50%。这一创新不仅有助于降低单个部件的制造成本，还提升了打印过程的效率和可行性，为3D打印技术在复杂组件制造和定制产品领域的应用开辟了新的可能性。

普渡大学研究小组负责人Xianfan Xu说道：“高分辨率3D打印有很多应用，包括3D电子设备、生物医学领域的微型机器人以及组织工程的三维结构或支架。我们新颖的3D打印方法可以在许多现有的飞秒激光3D打印系统中轻松实现。”

△动图显示仅使用飞秒激光以50%的阈值功率进行打印，结果打印不成功（左图）。当第二台激光器（绿色）与飞秒激光器一起使用50%的阈值功率时，打印成功

找到正确的激光平衡

这项新工作是研究团队努力提高双光子聚合印刷速度和降低打印成本的一部分。双光子聚合利用双光子吸收现象来精确固化或凝固光敏材料。

Xu说道：“在传统的双光子聚合3D打印过程中，飞秒激光首先用于启动光化学过程，减少打印前材料中的抑制物种。我们采用了低成本激光器来实现这一目的。”

新方法结合了532纳米纳秒激光的单光子吸收和800纳米飞秒激光的双光子吸收。为使其有效，研究人员必须在两种激光的打印和抑制效果之间找到适当的平衡。

为此，他们创建了一个新的数学模型，帮助他们理解相关的光化学过程，并计算双光子和单光子激发过程的综合效应。利用该模型，他们还确定了控制飞秒激光功率降低程度的主要过程，以获得理想的打印效果。

△一种新的双光子聚合技术将相对低成本的纳秒脉冲激光器与低功率的飞秒激光器相结合，从而能够以较低的激光功率3D打印复杂的高分辨率结构

打印高分辨率结构

在对新方法进行微调后，他们利用这种方法，以较低的飞秒激光功率打印出各种二维和三维结构。这些结构包括尺寸仅为25×25×10μm的精细木桩，以及微米级降压球、手性结构和三叶形结。实验结果表明，新方法将二维结构所需的飞秒激光功率降低了80%，将三维结构所需的飞秒激光功率降低了约50%。

这一进展可以降低高分辨率3D打印工艺的成本，帮助它在各种应用中得到更广泛的应用。Xu补充道：“这种新的打印方法可能会对制造技术产生影响，影响现在和未来消费电子和医疗保健领域的设备开发。”