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不可思议的微纳造物技术很大程度改善粗糙度

2019-03-06 19:53:33

来源:科学大院公众号

相信绝大多数人对“3D打印”这个概念并不会感到陌生,因为桌面级家用小型3D打印机早已走入了千家万户,也有众多的学校或机构购买了专业级3D打印机供学生或用户使用,以3D打印机为核心的教育课程也如雨后春笋般在各个大城市中出现。

从各个方面看,目前的3D打印都已经进入到了细分市场的阶段:从价格上来看,有较为便宜的家用桌面级小型3D打印机,也有较为昂贵的用于实际工业生产的大型工业级3D打印机;从打印用到的材料来看,有的是树脂、塑料,有的是金属,有的甚至用黏土。

以黏土为原材料的3D打印机

不过,由于通常的3D打印机都是基于“分层制造”的原理工作的,因此无论是桌面级还是工业级,3D打印的物体层的精度很受限,存在所谓的“台阶效应”,这使得3D打印机很难制造低粗糙度、高精度的器件,如各种光学元件、微纳尺度的结构器件等等。

今天要给大家介绍的技术则从另一个角度出发,很大程度上改善了粗糙度和精度的问题,它被称为双光子3D打印,准确地说应该称为“双光子激光直写技术”,也被称为“双光子聚合技术(Two-photon polymerization (2PP) technology)”。

要准确描述这项技术,

不可思议的微纳造物技术很大程度改善粗糙度

首先要了解清楚什么叫做“双光子吸收效应”。

双光子吸收效应

物质可以对光产生吸收,这一点我们非常熟悉。有一些造物技术就是基于这一点,例如,用紫外光照射光敏聚合物,被照射到的地方逐渐产生固化,由液态、胶态转化为固态。这项技术的一个常见应用就是牙科诊所中用光敏物质填补牙齿。

绝大多数物质对光的吸收都是将一个光子作为基础单位进行吸收的,一次只能吸收一个光子。但是在有些特殊物质中,由于存在特殊的能级跃迁模式,也会出现同时吸收多个(几个甚至几十个)光子的情况,这就是“多光子吸收效应”。

但该效应的条件非常苛刻,往往要求特定的物质和极高的能量密度。双光子吸收效应是该类效应中的一种典型代表。在双光子吸收过程中,材料分子由基态跃迁至激发态,中间经过一个虚能级完成。

通常情况下,物质与光的相互作用是一种线性作用。常见的物体对特定波长的光透过率吸收率是一定的,这个比例并不会随着光强度变化而变化,因此这种作用是线性的。但是双光子吸收却是一种三阶非线性效应,即随着光能量密度的增加,该效应会快速加强。

线性和非线性吸收效应曲线示意图

借助于这种非线性的双光子吸收效应,科学家将微纳尺度的3D打印变成了现实。

只有当光强增强到一定值,才会出现较为明显的双光子吸收效应,利用这一点,我们可以通过将激光聚焦的方式,将反应区域局限在焦点附近极小的位置。并且通过精密移动台纳米量级的移动,使该焦点在光敏物质内移动,聚焦的微纳光斑经过的位置,光敏物质产生变性和固化,因此可以打印任意形状的3D物体。

使用这种方式打印的微纳物体的特点是精度高,理论精度可以达到100nm作用,这是传统3D打印方法难以企及的。

双光子激光直写技术原理示意图(https://)

科研上的应用

这种微纳尺度的3D打印机给科学家提供了一种强有力的手段,来设计和加工多种多样以往只能够进行仿真模拟的微纳结构,通过实际实验检验它们的性质。尤其是在光学研究领域,出现了许多以双光子激光直写技术为基础的研究工作。

双光子直写技术加工的三维光子晶体()

上图是科研中双光子激光直写技术实际应用的一个例子,科学家使用该技术制作了三维的光子晶体。光子晶体(Photonic Crystal)是一种人工微纳结构,它由不同折射率的介质周期性排列而成,具有特殊的光子带隙,因而拥有很多奇异的光学性质。这种微纳周期结构加工起来非常困难,但使用双光子激光直写技术,则可以非常方便的加工出来。

除了光子晶体,双光子激光直写技术还用于加工微纳尺度的光学元件,下图就是这样一个例子。

双光子直写技术制作的内窥镜()

我们都知道,内窥镜技术为医学诊断、工业探伤等领域提供了强力的手段,对于内窥镜,相信大家为熟悉的就是胃镜。医生将通过光导纤维相连的内窥镜通过食道插入胃部,可以借此观察胃部图像,对检测黏膜损伤、内溃疡、胃出血等症状提供直接证据。

2016年Nature Photonics发表了一篇文章,科学家利用双光子激光直写技术在光纤顶端不到一百多微米的尺度范围内加工了成像效果良好的透镜组,制成了目前世界上小的内窥镜。

双光子直写技术加工的单透镜、双透镜和三透镜组的成像效果。a。单透镜、双透镜和三透镜组的光路设计图 b。成像效果仿真模拟图 c。单透镜、双透镜和三透镜组剖面的电子显微镜照片 d。实验实际得到的成像效果图

艺术领域的应用

当然,除了科研领域外,该项技术越来越多的被利用在艺术领域。

2014年,南非艺术家Jonty Hurwitz与Weitzmann Institute of Science的科学家们合作,利用该技术制成了世界上小的雕塑。

首先他们通过三维扫描技术扫描并记录了人体模特身体的三维空间信息,然后将其转化为空间坐标。再然后,他们利用双光子激光直写技术,在一根针的针孔里制作了该人体模特的微纳雕塑,这是世界上小的人体雕塑,并获得了吉尼斯世界纪录的正式认证。

双光子激光直写技术制作的世界小的人体雕塑()

其他利用该项技术加工的微纳雕塑作品也有很多,例如下图就是利用勃兰登堡门的模型。

利用双光子直写技术制作的勃兰登堡门模型()

也有人利用这项技术制作了虚拟人物的雕塑,还有人制作了微纳尺度赛车和房子的模型等等。总之,人们可以在此基础上充分放飞自己的想象力,制作各种各样的艺术品。美中不足的是,这些艺术品往往都需要在电子显微镜下观看。

利用双光子激光直写技术加工的虚拟人物头像()

利用双光子激光直写技术制作的赛车和房屋模型(https://?PID=1 ;VID=101 ;IID=615 ;AID=50848)

不足之处

虽然双光子激光直写技术在微纳尺度加工领域具有极大的优势,但缺点也同样明显。

用于双光子激光直写技术的光敏物质种类很有限,往往只能加工光刻胶等特殊物质;与老式胶片拍摄图像的过程有些类似,光敏物质经过双光子激光直写后,往往也需要显影和定影等过程,将打印的3D物体固定下来,因此加工过程更为繁琐;由于加工精度高,而且往往是单点扫描加工,因此速率较慢,虽然不少改进版本的产品加入了振镜系统,可以提高加工效率,但相比之下仍耗时许久,再加上高精度平移台要借助压电陶瓷实现,行程较短,虽然可以通过机械移动台进行拼接,但是拼接处加工精度会陡然降低,因此该技术目前尚难以加工大尺度的产品。

此外,这项技术能够成功的关键很大程度上是纳米级移动精度的三维平移台,因此运动模块极其精密且昂贵,更需要相应的检测和控制系统,下图是一台典型双光子直写仪的基本配置,包括基本光学系统、振镜模块、定位系统(包括机械移动和压电陶瓷移动)、自动聚焦显微系统、高精度显微相机和配套软件,可以看出,这样一套系统需要从软件到硬件的深度开发,所以通常设备价格高昂。

典型的双光子直写仪基本配置()

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