研究人員開發(fā)多光子焦點(diǎn)3D激光打印技術(shù)，使打印速度提高十倍

2024年4月11日，南極熊獲悉，來(lái)自卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 和海德堡大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)多光子焦點(diǎn)3D激光打印技術(shù)，加快了復(fù)雜 3D 打印的步伐。它使打印速度提高了十倍，同時(shí)保持了高精度的細(xì)節(jié)。

這項(xiàng)研究以題為“基于 3D 打印衍射光學(xué)元件和 3D 打印多透鏡陣列的多光子 (7×7) 聚焦 3D 激光打印機(jī)/A multi-photon (7 × 7)-focus 3Dlaser printer based on a 3D-printed diffractive optical element and a3D-printed multi-lens array”的論文被發(fā)表在《Light: AdvancedManufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2024.003

多光子3D激光微納打印技術(shù)已經(jīng)成為一種成熟和普遍應(yīng)用的技術(shù)，其挑戰(zhàn)在于進(jìn)一步提高打印速度，增加空間分辨率，提供更多材料，并在大幅降低成本和尺寸的情況下使技術(shù)大眾化。

在這里，研究人員基于新一代多光子多焦點(diǎn)飛秒激光器的設(shè)備大幅增加了打印速度，即每秒可以打印多少體素。體素指的是它們的尺寸符合雙光子Sparrow標(biāo)準(zhǔn)，即兩個(gè)分隔的體素之間的最小距離，由光學(xué)衍射極限所規(guī)定。在波長(zhǎng)為800納米并且數(shù)值孔徑為1.4的自由空間下，這個(gè)限制約為自由空間波長(zhǎng)的四分之一，即200納米，橫向約大2.5倍，為500納米。這些雙光子Sparrow標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字大致等于聚焦點(diǎn)光強(qiáng)輪廓的半高全寬(FWHM)。

圖1：多焦點(diǎn)打印的不同分束方法概述

圖2：圖2 光學(xué)系統(tǒng)方案和聚焦質(zhì)量。一種采用低色散分束的光學(xué)系統(tǒng)方案

圖3 制造用于光束分裂的微光學(xué)元件

圖 4 對(duì) 3D 打印的微光學(xué)組件進(jìn)行分析

圖5 衍射光學(xué)元件 (DOE) 焦點(diǎn)陣列的光學(xué)分析

圖6  使用多光子多焦點(diǎn) 3D 打印制造的用于呼吸藥物輸送的載體顆粒

圖7  包含 77 × 77 ×171 = 1,013,859 個(gè)晶胞的大型手性旋轉(zhuǎn)超材料的多光子多焦點(diǎn) 3D 打印

圖8  基于峰值打印速率和體素尺寸的不同 3D 打印技術(shù)的比較。本文提出的下一代多光子多焦點(diǎn)3D打印版本超越了10^12體素/秒的打印速度閾值，計(jì)算出的衍射極限體素尺寸約為350 nm

研究人員通過戰(zhàn)略性地布置激光束和專門設(shè)計(jì)的光學(xué)元件，可確保最佳聚焦和功率傳輸。這種精密系統(tǒng)擴(kuò)大了可打印材料的范圍并加速了打印過程，有望在個(gè)性化醫(yī)療和微技術(shù)中得到應(yīng)用。

在論文中，研究人員展示了該項(xiàng)技術(shù)的兩組應(yīng)用示例，即（i）填充數(shù)十平方厘米底物的數(shù)百萬(wàn)定制3D微粒數(shù)組，用于潛在的制藥應(yīng)用，和（ii）包含超過1.7×10^12個(gè)體素的大容量機(jī)械超材料，創(chuàng)下了體素?cái)?shù)量最多的記錄。此外，由于基本組件是使用商用設(shè)備打印的，因此該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可及性得到了凸顯。

這一進(jìn)步不僅加速了打印速度，還拓寬了其潛在應(yīng)用。從革命性材料到定制醫(yī)療植入物，3D 打印的未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)變革性增長(zhǎng)。通過突破速度和精度的界限，研究人員正在為微印刷革命鋪平道路，這場(chǎng)微型打印的革命將通過精心制作的體素塑造我們的世界。