波兰和意大利的研究人员开发出了一种用于光固化成型的光响应材料，让3D打印部件能动态改变激光束的强度和偏振态。

这些材料里含有基于偶氮苯的分子，暴露在偏振可见光下时，分子取向会发生变化，进而在折射率中产生暂时性差异，也就是光致双折射。

研究团队实现了高达2.5 × 10⁻⁴的双折射值，并在超过60,000次开‑关循环中展示了光学调制能力。

这项研究发表在《先进复合材料与混合材料》（Advanced Composites and Hybrid Materials）上，合作方包括波兰弗罗茨瓦夫科技大学、意大利国家研究委员会纳米科学研究所、意大利高等师范学校和比萨大学的研究人员。

这些部件采用立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）技术制造。

此前，大多数光响应光学材料只限于薄膜等平面结构。虽然它们能随光改变光学特性，但几何形状限制了在更复杂光子结构里的应用。

研究人员表示，3D打印可以把这些光学功能从平面薄膜里解放出来，分布到更复杂的部件几何形状中。

这种可打印材料的关键，是把Disperse Red 1（DR1）和E‑Shell 600光固化树脂结合在一起。

DR1是一种基于偶氮苯的非线性光学分子，能在直链的稳定反式构型和弯曲的亚稳态顺式构型之间切换。可见光会驱动这两种形式反复转变。

光照之前，DR1分子在固化树脂里随机取向。因此打印材料近似光学各向同性，不会显著改变激光的偏振态。

偏振泵浦光会改变这种排列。反复的分子切换逐渐减少与泵浦偏振方向平行的分子，增加与垂直方向平行的分子。这样就有了各向异性的分子结构，材料在不同方向上的折射率也随之出现差异。

研究人员把打印材料放在两个偏振轴互相垂直的偏振片之间。没有泵浦光时，637 nm的输入激光会被第二个偏振片挡住。激活泵浦光后，光束穿过材料时偏振态发生变化，光就能到达探测器。

关闭泵浦光，分子排列会松弛，传输信号下降。光照停止后，还会有一些双折射残留。

光聚合时受到的紫外线照射，对光学响应有明显影响。

曝光时间少于0.5分钟的样品，双折射值约5 × 10⁻⁵。曝光时间增加到1.7分钟，最大响应提升到约2.5 × 10⁻⁴。

紫外线曝光在1到40分钟之间时，测得的双折射值保持在接近2 × 10⁻⁴。对应的紫外线剂量范围约0.6到23 J cm⁻²。

拉曼光谱显示，树脂在前两分钟转化率达到约50%。所以最高双折射值是在聚合物网络形成的早期阶段实现的，而不是完全固化之后。

研究人员认为，正在形成的网络足以限制分子运动，从而保持光诱导的排列。但长时间紫外线照射会开始降解DR1分子。

曝光超过五分钟后，出现了一个与DR1相关的拉曼峰展宽，这可能表示分子开始降解。120分钟后，染料的最大吸光度下降到原始值的约60%。

曝光时间变长，DR1吸收的下降会限制光学响应。固化和分子降解的速度不一样，所以留下了一个宽泛的区间，材料在这个区间里能保持较强的双折射。

在这个剂量范围内，研究人员可以针对不同几何形状和分辨率调整打印参数，而不会显著改变双折射值。

研究团队先用Sharebot Andromeda SLA系统打印了均匀的圆盘。调制泵浦光会导致通过圆盘传输的激光强度上升和下降。

动态双折射在调制频率接近50 Hz时仍保持接近最大值，之后随频率升高而下降。

一个在10 Hz泵浦光下测试的圆盘，在60,000次开‑关循环后仍能持续调制输入激光。整个测试过程中，调制幅度与其平均值的变化约8%。

随后研究人员打印了分段圆盘，包含四个厚度从420到600微米不等的象限。不同厚度是为了产生空间变化的相位延迟，因为光学效应取决于光穿过光响应材料的距离。

420微米象限产生的相移为13.3° ± 0.2°，520微米部分为14.0° ± 0.2°。研究称，这代表了通过打印厚度实现的每微米约10⁻²量级的相位控制。

还使用嵌入在双酚A乙氧基化二甲基丙烯酸酯基质中的DR1‑丙烯酸酯衍生物制造了DLP样品，包括一个分段圆盘和一个包含透明与光响应区域的多材料结构。

一个楔形部件进一步证明，传输强度随打印几何形状的厚度而变化。

综合来看，圆盘和楔形测试说明，光学响应既可以通过泵浦光控制，也可以通过打印部件的厚度控制。

不过这项研究还停留在部件级演示，没有验证完整的光学计算机、通信网络或增强现实系统。

长期稳定性，以及光聚合、光学性能和机械性能之间的关系，还有待评估。研究人员把这些领域列入未来工作的优先事项，同时也包括后处理，以及把更多光响应分子整合到光固化树脂里。

在把这些材料用于实际的偏振光学或可重构光子器件之前，还需要进一步测试。

这项研究还扩展了NEST、高等师范学校和比萨大学研究团队之前做的DLP 3D打印光致变色聚合物工作。那些材料可以在有色和透明状态之间可逆切换，让打印部件能改变光传输、存储可重写图案，并执行基本的算术和逻辑运算。弗朗西斯卡·德埃利亚、洛伦佐·拉维斯塔、安德烈亚·坎帕塞奥和达里奥·皮西尼亚诺参与了两项研究。

更广泛的3D打印光子学研究显示，光学透明度、机械鲁棒性、打印通量以及多功能光聚合物的有限可用性仍是持续挑战。而当前的研究把动态双折射和多材料演示，添加到了可用的打印光学功能范围里。