鞋盒大小的3D激光纳米打印机问世，基于两步吸收原理！

2024年7月9日，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT)，应用物理研究所 (APH)的研究团队开发出一款革命性的3D激光纳米打印机，其体积小巧到足以放入鞋盒之中，同时具备卓越的打印性能。这项研究已经发表在Light: Advanced Manufacturing期刊上，题目为A shoe-box-sized 3D laser nanoprinter based on two-step absorption。此研究揭示了一种基于两步吸收原理的创新3D打印方法，该方法的成本更低、使用了连续波长405nm的GaN半导体激光二极管，输出功率可低于1mW。



两步吸收原理两步吸收原理是一种用于3D激光纳米打印的新原理，与传统的双光子或多光子吸收过程不同。传统的3D激光微纳米打印通常依赖于高功率的皮秒或飞秒激光，这些激光能够触发光敏材料内的双光子或多光子吸收，从而在微小尺度上进行精确的光刻。然而，这种方法往往导致仪器体积庞大且成本高昂，限制了其在小型研究团队或教育机构中的普及。

△紧凑型3D激光纳米打印机的光学装置方案

两步吸收原理则是通过连续两次单光子吸收来激发材料，而不是同时吸收两个光子。这个过程可以理解为一个光子被材料吸收，然后在特定条件下，另一个光子被吸收，引发化学反应。相比于双光子吸收，两步吸收机制可以在较低的激光强度下工作，因此可以使用低功率、连续波长的半导体激光二极管，如405nm波长的GaN激光二极管，其输出功率低于1mW。目前，基于405nm连续波长半导体激光二极管的一色两步吸收机制在性能上优于其他两步吸收机制，能够实现100nm的横向空间分辨率和高达4mm/s的打印速度，展示了其在3D激光纳米打印领域的巨大潜力。

这种3D打印方式的优势在于极大地降低了所需激光系统的复杂性和成本，因为不需要使用昂贵的飞秒脉冲激光器。此外，由于两步吸收机制对激光功率的要求较低，使得整个3D激光纳米打印系统的体积可以显著减小，甚至可以装入一个鞋盒大小的空间内，这为3D激光纳米打印技术的普及和便携性带来了革命性的改变。

基于两步吸收原理，研究人员已经成功地开发出了一个完全集成的、高分辨率3D激光纳米打印系统。打印系统体积小、成本低，为纳米级结构的快速制造开辟了新的途径，同时也为小型实验室和教育机构提供了获取先进制造技术的可能。

打印机特点

紧凑型光学设置

●光源：采用低成本的GaN半导体激光二极管，工作在405nm波长，输出功率低于1mW，体积小巧，仅3.8mm直径的外壳。
●光束净化与准直：激光二极管发射的发散椭圆光束经过一个5μm直径的针孔进行净化，随后通过第二个透镜进行准直。
●MEMS扫描器：二维MEMS扫描器用于在xy平面内引导激光束扫描任意轨迹，与仅1.6mm直径的MEMS反射镜兼容。
●扫描与管镜：MEMS扫描器和管镜组合使用，将MEMS镜像在物镜的入瞳平面上，并扩大光束直径。
●高NA显微物镜：高数值孔径的显微物镜（NA=1.4，100倍放大）安装在压电滑动z轴上，用于在液态光敏树脂中聚焦激光束。
●监控系统：紧凑型相机允许监控打印过程，同时显微物镜收集来自透射照明的光线，帮助定位样品与光敏树脂界面并调整焦距。


△光学装置和关键元件

紧凑型控制单元


△3D激光纳米打印机的控制单元照片

●核心微控制器：打印机使用强大的Teensy 4.1微控制器，安装在自制的PCB上，作为控制单元的核心，接口连接实验室电脑和激光打印系统。
●数据传输与存储：打印任务文件直接转换为MEMS扫描器的数字值，并缓冲在板载内存中
●自主打印操作：发送运行命令后，加载的作业开始自主打印，同时微控制器向电脑反馈信息，微控制器同时输出MEMS扫描器位置和激光二极管驱动电压。
●参数调整与控制：除了打印作业文件外，可以向微控制器发送额外命令来改变预设参数。

性能测试与分辨率


△打印3D结构的扫描电子显微照片

●测试结构：研究人员打印了具有特殊要求的三维结构，如螺旋结构和金字塔结构，以评估打印机性能。
●分辨率与速度：实现约100nm的横向空间分辨率和约1mm/s的焦点扫描速度，展示出色的打印能力和精度。

总结
这款鞋盒大小的3D激光纳米打印机代表着微纳制造技术的重大进步，不仅大大降低了成本，还提高了便携性，为实验室和工业应用开辟了新的可能性，尤其是那些需要高精度和快速原型制作的领域。随着技术的进一步发展，这类打印机有望成为微纳制造的标准工具，加速科研成果的转化和商业化的进程。

原文链接：https://www.light-am.com/en/article/doi/10.37188/lam.2024.027