研究人员开发多光子焦点3D激光打印技术，使打印速度提高十倍

2024年4月11日，南极熊获悉，来自卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 和海德堡大学的科学家们开发多光子焦点3D激光打印技术，加快了复杂 3D 打印的步伐。它使打印速度提高了十倍，同时保持了高精度的细节。

这项研究以题为“基于 3D 打印衍射光学元件和 3D 打印多透镜阵列的多光子 (7×7) 聚焦 3D 激光打印机/A multi-photon (7 × 7)-focus 3Dlaser printer based on a 3D-printed diffractive optical element and a3D-printed multi-lens array”的论文被发表在《Light: AdvancedManufacturing》期刊上。

相关论文链接：https://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2024.003

多光子3D激光微纳打印技术已经成为一种成熟和普遍应用的技术，其挑战在于进一步提高打印速度，增加空间分辨率，提供更多材料，并在大幅降低成本和尺寸的情况下使技术大众化。

在这里，研究人员基于新一代多光子多焦点飞秒激光器的设备大幅增加了打印速度，即每秒可以打印多少体素。体素指的是它们的尺寸符合双光子Sparrow标准，即两个分隔的体素之间的最小距离，由光学衍射极限所规定。在波长为800纳米并且数值孔径为1.4的自由空间下，这个限制约为自由空间波长的四分之一，即200纳米，横向约大2.5倍，为500纳米。这些双光子Sparrow标准中的数字大致等于聚焦点光强轮廓的半高全宽(FWHM)。

图1：多焦点打印的不同分束方法概述

图2：图2 光学系统方案和聚焦质量。一种采用低色散分束的光学系统方案

图3 制造用于光束分裂的微光学元件

图 4 对 3D 打印的微光学组件进行分析

图5 衍射光学元件 (DOE) 焦点阵列的光学分析

图6  使用多光子多焦点 3D 打印制造的用于呼吸药物输送的载体颗粒

图7  包含 77 × 77 ×171 = 1,013,859 个晶胞的大型手性旋转超材料的多光子多焦点 3D 打印

图8  基于峰值打印速率和体素尺寸的不同 3D 打印技术的比较。本文提出的下一代多光子多焦点3D打印版本超越了10^12体素/秒的打印速度阈值，计算出的衍射极限体素尺寸约为350 nm

研究人员通过战略性地布置激光束和专门设计的光学元件，可确保最佳聚焦和功率传输。这种精密系统扩大了可打印材料的范围并加速了打印过程，有望在个性化医疗和微技术中得到应用。

在论文中，研究人员展示了该项技术的两组应用示例，即（i）填充数十平方厘米底物的数百万定制3D微粒数组，用于潜在的制药应用，和（ii）包含超过1.7×10^12个体素的大容量机械超材料，创下了体素数量最多的记录。此外，由于基本组件是使用商用设备打印的，因此该技术的经济性和可及性得到了凸显。

这一进步不仅加速了打印速度，还拓宽了其潜在应用。从革命性材料到定制医疗植入物，3D 打印的未来有望实现变革性增长。通过突破速度和精度的界限，研究人员正在为微印刷革命铺平道路，这场微型打印的革命将通过精心制作的体素塑造我们的世界。