微納光固化3D打印提速1000倍，《Science》飛秒投影雙光子光刻技術

南極熊導讀：2019年10月，微納微納光固化3D打印提速1000倍，《Science》刊登飛秒投影雙光子光刻技術。

增材制造技術使用單點高強度光（通常直徑約為700至800納米）將光敏聚合物材料從液體轉換為固體。 由于該點必須掃描整個要制造的結構，因此現有的TPL技術可能需要許多小時才能生成復雜的3D結構，這限制了它在實際應用中按比例放大的能力。
△通過重疊3D空間中的多個投影生成的堆疊納米級3D環(huán)形結構。 通過這種深度解析的納米級3D打印技術可以生成任意復雜的3D結構。

“我們可以同時投影一百萬個點，而不是使用單個光點（...），從而極大地提高了速度，因為我們可以使用整個平面，來代替使用必須掃描的單個點來創(chuàng)建結構的方法。 對于投射光， 我們沒有聚焦一個點，而是擁有一個可以被圖案化為任意結構的整個聚焦平面。”美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Sourabh Saha說道。這個技術，其實在我們熟知的3D打印技術中，就是DLP面曝光3D打印技術。



美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Sourabh K. Saha和香港中文大學Shih-Chi Chen合作提出一種通過超快激光打印亞微米結構的技術。通過投影2D聚焦平面構筑3D模型。這種方法在不犧牲分辨率的情況下將傳統(tǒng)方法的產率提高了三個數量級。能夠在8分鐘的時間內打印出傳統(tǒng)TPL方法幾個小時才能完成的結構。相關論文以Scalable submicrometer additive manufacturing為題發(fā)表在《Science》上。

研究人員多年來一直致力于加速用于生產納米級3D結構的雙光子光刻工藝。 他們的成功來自采用一種不同的聚焦光的方法，即利用其時域特性，從而可以生產出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。飛秒激光的使用能夠保持足夠的光強度，以觸發(fā)雙光子過程聚合，同時保持較小的點尺寸。 在FP-TPL技術中，飛秒脈沖經過光學系統(tǒng)時會被拉伸和壓縮，以實現時間聚焦。該過程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征，并且需要兩個光子同時撞擊液體前驅物分子。




FP-TPL的單層容量處理速率超過現有TPL技術至少三個數量級。我們的3D打印速率超過現有最快的TPL技術，其中多孔結構超過90多倍，非孔結構超過450倍。FP-TPL方法能夠打印復雜3D亞微米特征結構圖案。FP-TPL可實現高軸向分辨率。另一個FP-TPL優(yōu)于傳統(tǒng)技術的是打印曲線的能力（圖 2E），在分段線性路徑離散近似過程中，無需分段加速和減速。這在很大程度上增加打印效率。還允許打印具90°懸伸的長懸架橋結構（圖2G）。FP-TPL的打印量、分辨率和模式靈活性使其成為一項有吸引力的技術，可實現微納米結構的批量制造，可能使用在機械和光學超材料，微光學、生物支架，電化學接口和柔性電子器件多種領域。是一項具有實用性的革新技術。


△基于時空聚焦的飛秒激光投影TPL。（A）使用數字掩模3D打印亞微米級別的逐層投影。（B）制造裝置的示意圖。通過將微鏡陣列的圖像投影到光敏聚合物上。通過飛秒激光聚焦產生較大的強度梯度，可以將打印限制在厚度小于1 mm的層上。L1是指準直透鏡，L2是指物鏡。飛秒脈沖在通過光學系統(tǒng)實現拉伸和壓縮。微鏡陣列在光譜上分離了飛秒脈沖的不同波長和拉伸它，而物鏡將脈沖聚焦在時域中。微鏡陣列L1和L2以類似4f的光學裝置設置，以確保在微鏡陣列和物鏡L2的焦平面之間所有波長的光路長度相等，但在其他點之間不同波長的光路長度不相等。（C）物鏡焦距中時間聚焦的放大示意圖，其中最短的脈沖僅在焦平面處形成。



△通過飛秒投影TPL打印復雜的亞微米分辨率3D結構。（A到C）在美國硬幣的頂部反光面，具有亞微米級特征的毫米級結構。在8分20秒內打印出2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm長方體，證明了3D打印速度為8.7 mm3/小時。傳統(tǒng)技術將需要幾個小時才能打印出該長方體。（D）通過堆疊2D層進行打印的3D微柱，表明打印的均勻性達到了商業(yè)級別。（E和F）通過印刷的螺旋結構單個層的投影，顯示了在幾毫秒的時間內快速打印曲線結構的能力。（G到J）通過拼接多個懸垂的3D結構2D投影展示了打印深度解析特征的能力。（G）中的橋結構，呈90°懸垂角，用傳統(tǒng)的TPL技術或任何其他技術，很難精確打印這樣的結構。



△印刷納米線展示了FP-TPL的納米級分辨率。在不同條件下打印的納米線（A）寬度（橫向）和（B）高度（軸向）。投影DMD圖案中線條的寬度從3像素變化到6像素，固定周期為30像素。每個像素（px）映射到投影圖像中為151 nm。HP，MP，和LP分別表示高（42 nW / px），中（39 nW / px）和低（35 nW / px）平均功率。特定標記的形狀代表以相同功率水平產生的數據點，以及特定顏色表示相同的線寬。使用飛秒激光進行打印，其中心波長為800 nm，標稱脈沖寬度為35 fs，數值孔徑為60×1.25物鏡。（C和D）納米線的掃描電子顯微鏡圖像。


△FP-TPL的速率和分辨率與過去的TPL的比較

論文原文https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105
部分內容翻譯自“高分子科學前沿”