鞋盒大小的3D激光納米打印機(jī)問(wèn)世，基于兩步吸收原理！

2024年7月9日，來(lái)自德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT)，應(yīng)用物理研究所 (APH)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款革命性的3D激光納米打印機(jī)，其體積小巧到足以放入鞋盒之中，同時(shí)具備卓越的打印性能。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing期刊上，題目為A shoe-box-sized 3D laser nanoprinter based on two-step absorption。此研究揭示了一種基于兩步吸收原理的創(chuàng)新3D打印方法，該方法的成本更低、使用了連續(xù)波長(zhǎng)405nm的GaN半導(dǎo)體激光二極管，輸出功率可低于1mW。



兩步吸收原理兩步吸收原理是一種用于3D激光納米打印的新原理，與傳統(tǒng)的雙光子或多光子吸收過(guò)程不同。傳統(tǒng)的3D激光微納米打印通常依賴于高功率的皮秒或飛秒激光，這些激光能夠觸發(fā)光敏材料內(nèi)的雙光子或多光子吸收，從而在微小尺度上進(jìn)行精確的光刻。然而，這種方法往往導(dǎo)致儀器體積龐大且成本高昂，限制了其在小型研究團(tuán)隊(duì)或教育機(jī)構(gòu)中的普及。

△緊湊型3D激光納米打印機(jī)的光學(xué)裝置方案

兩步吸收原理則是通過(guò)連續(xù)兩次單光子吸收來(lái)激發(fā)材料，而不是同時(shí)吸收兩個(gè)光子。這個(gè)過(guò)程可以理解為一個(gè)光子被材料吸收，然后在特定條件下，另一個(gè)光子被吸收，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。相比于雙光子吸收，兩步吸收機(jī)制可以在較低的激光強(qiáng)度下工作，因此可以使用低功率、連續(xù)波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光二極管，如405nm波長(zhǎng)的GaN激光二極管，其輸出功率低于1mW。目前，基于405nm連續(xù)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光二極管的一色兩步吸收機(jī)制在性能上優(yōu)于其他兩步吸收機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)100nm的橫向空間分辨率和高達(dá)4mm/s的打印速度，展示了其在3D激光納米打印領(lǐng)域的巨大潛力。

這種3D打印方式的優(yōu)勢(shì)在于極大地降低了所需激光系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，因?yàn)椴恍枰�使用昂貴的飛秒脈沖激光器。此外，由于兩步吸收機(jī)制對(duì)激光功率的要求較低，使得整個(gè)3D激光納米打印系統(tǒng)的體積可以顯著減小，甚至可以裝入一個(gè)鞋盒大小的空間內(nèi)，這為3D激光納米打印技術(shù)的普及和便攜性帶來(lái)了革命性的改變。

基于兩步吸收原理，研究人員已經(jīng)成功地開發(fā)出了一個(gè)完全集成的、高分辨率3D激光納米打印系統(tǒng)。打印系統(tǒng)體積小、成本低，為納米級(jí)結(jié)構(gòu)的快速制造開辟了新的途徑，同時(shí)也為小型實(shí)驗(yàn)室和教育機(jī)構(gòu)提供了獲取先進(jìn)制造技術(shù)的可能。

打印機(jī)特點(diǎn)

緊湊型光學(xué)設(shè)置

●光源：采用低成本的GaN半導(dǎo)體激光二極管，工作在405nm波長(zhǎng)，輸出功率低于1mW，體積小巧，僅3.8mm直徑的外殼。
●光束凈化與準(zhǔn)直：激光二極管發(fā)射的發(fā)散橢圓光束經(jīng)過(guò)一個(gè)5μm直徑的針孔進(jìn)行凈化，隨后通過(guò)第二個(gè)透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直。
●MEMS掃描器：二維MEMS掃描器用于在xy平面內(nèi)引導(dǎo)激光束掃描任意軌跡，與僅1.6mm直徑的MEMS反射鏡兼容。
●掃描與管鏡：MEMS掃描器和管鏡組合使用，將MEMS鏡像在物鏡的入瞳平面上，并擴(kuò)大光束直徑。
●高NA顯微物鏡：高數(shù)值孔徑的顯微物鏡（NA=1.4，100倍放大）安裝在壓電滑動(dòng)z軸上，用于在液態(tài)光敏樹脂中聚焦激光束。
●監(jiān)控系統(tǒng)：緊湊型相機(jī)允許監(jiān)控打印過(guò)程，同時(shí)顯微物鏡收集來(lái)自透射照明的光線，幫助定位樣品與光敏樹脂界面并調(diào)整焦距。


△光學(xué)裝置和關(guān)鍵元件

緊湊型控制單元


△3D激光納米打印機(jī)的控制單元照片

●核心微控制器：打印機(jī)使用強(qiáng)大的Teensy 4.1微控制器，安裝在自制的PCB上，作為控制單元的核心，接口連接實(shí)驗(yàn)室電腦和激光打印系統(tǒng)。
●數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)：打印任務(wù)文件直接轉(zhuǎn)換為MEMS掃描器的數(shù)字值，并緩沖在板載內(nèi)存中
●自主打印操作：發(fā)送運(yùn)行命令后，加載的作業(yè)開始自主打印，同時(shí)微控制器向電腦反饋信息，微控制器同時(shí)輸出MEMS掃描器位置和激光二極管驅(qū)動(dòng)電壓。
●參數(shù)調(diào)整與控制：除了打印作業(yè)文件外，可以向微控制器發(fā)送額外命令來(lái)改變預(yù)設(shè)參數(shù)。

性能測(cè)試與分辨率


△打印3D結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微照片

●測(cè)試結(jié)構(gòu)：研究人員打印了具有特殊要求的三維結(jié)構(gòu)，如螺旋結(jié)構(gòu)和金字塔結(jié)構(gòu)，以評(píng)估打印機(jī)性能。
●分辨率與速度：實(shí)現(xiàn)約100nm的橫向空間分辨率和約1mm/s的焦點(diǎn)掃描速度，展示出色的打印能力和精度。

總結(jié)
這款鞋盒大小的3D激光納米打印機(jī)代表著微納制造技術(shù)的重大進(jìn)步，不僅大大降低了成本，還提高了便攜性，為實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用開辟了新的可能性，尤其是那些需要高精度和快速原型制作的領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這類打印機(jī)有望成為微納制造的標(biāo)準(zhǔn)工具，加速科研成果的轉(zhuǎn)化和商業(yè)化的進(jìn)程。

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