双激光协同，纳米级双光子3D打印的降本新思路

导语

在高精度光固化3D打印领域，技术与成本的权衡一直是个难解之题。

随着纳米级精度需求的日益增长，双光子聚合(TPP)技术虽展现出巨大潜力，却因其高昂的设备成本而难以大规模推广。

然而，普渡大学研究团队近日发表的一项突破性研究，或将彻底改变这一局面。

他们提出的双激光协同双光子3D打印技术，巧妙地将所需飞秒激光功率降低了50%，同时保持了纳米级的打印精度。

这一创新不仅有望削减TPP（双光子聚合3D打印）设备成本，更可能为纳米级3D打印在微光学、生物医学、新材料等领域的广泛应用铺平道路。

AM易道将在本文将尽可能展现这项技术的原理及其潜在影响。

纳米级精度的秘密：解密双光子聚合（TPP）技术

在光固化3D打印技术的发展历程中，提高精度一直是核心追求之一。

从最初的立体光刻（SLA）技术，到数字光处理（DLP）技术，再到目前精度最高的双光子聚合（TPP）技术，每一次技术革新都把3D打印的精度推向了新的高度。

其中，TPP（双光子聚合3D打印）技术可以说是当前光固化3D打印领域的「精度之王」。

它能够打印出精度高达纳米级的微型结构，在微光学、生物医学、新材料研究等领域有着广泛应用。

那么，TPP技术是如何实现如此高的精度的呢？

让我们先来了解一下双光子聚合3D打印的基本原理（非技术咖读者可以自行略过这一部分）：

双光子吸收：

在传统的光聚合过程中，一个光子激发一个光引发剂分子。

而在双光子聚合3D打印中，需要两个光子同时被一个分子吸收。这种情况只有在光子密度极高的情况下才能发生，通常需要使用高功率的飞秒激光。

非线性效应：

由于需要两个光子同时作用，反应强度与光强的平方成正比。

这意味着只有在激光焦点附近的极小区域内才能达到足够的光强，从而实现超高精度的3D打印。

体素控制：

通过精确控制激光焦点的位置，可以在三维空间中任意位置引发聚合反应，从而实现真正的3D打印，而不是传统的层层堆积。

传统的TPP系统通常包括以下关键配置：

• 高功率飞秒激光器：通常使用波长在700-800nm的钛宝石激光器，脉冲宽度在百飞秒量级，重复频率在80MHz左右。
• 高数值孔径物镜：用于将激光聚焦到一个极小的体积内。
• 精密三维扫描系统：用于控制激光焦点在三维空间中的位置，精度可达纳米级。
• 光敏树脂：专门设计的能够发生双光子吸收的光引发剂和单体混合物。
  

TPP技术的精度优势是显而易见的，但它也面临着一个明显的短板 - 成本高。

因为要实现双光子吸收，需要使用昂贵的高功率飞秒激光器。

这也是限制TPP技术广泛应用的主要原因之一。

面对这一挑战，科研人员一直在寻找能够降低TPP成本的新方法。

而普渡大学研究团队提出的新技术，为解决这一问题提供了一个创新的思路。

双剑合璧：两束激光如何实现「1+1>2」的效果

普渡大学机械工程学院和伯克纳米技术中心的研究团队提出了一个创新方案：

同时使用两束不同波长的激光，一束是800nm的飞秒激光，另一束是532nm的纳秒激光。

这种方法的核心思想是：

利用532nm激光进行单光子吸收，来辅助800nm激光进行双光子吸收。

通过这种方式，研究团队成功将3D打印所需的飞秒激光功率降低了50%！

• 使用半波片(HWP)和线性偏振器(LP)的组合来精确控制激光功率。

• 通过二向色镜(DCM)将多束激光引入同一光路，确保它们能够同时作用于打印区域。

那么，这种双激光方法的效果如何呢？我们来看上图(b)：

技术原理：揭秘两种激光的协同机制

那么，这种双激光技术是如何实现如此显著的效果的呢？要回答这个问题，我们需要深入了解其背后的光化学机制：

上图为我们揭示了双色打印过程中的关键机制：

(a) 展示了不同浓度下BBK光引发剂的吸收光谱。我们可以看到，在高浓度下，峰值吸收强度已经饱和了探测器。

(b) 是一个简化的Jablonski能级图，展示了双光打印过程中的能量转移过程：

• 双光子吸收(TPA)和单光子吸收(1PA)都促成激发态的形成

• 激发态可以通过荧光(Fl)回到基态，或通过系间窜越(ISC)转移到三重态

• 三重态可以通过磷光(Ph)回到基态，或产生自由基

• 自由基与单体反应启动聚合链，或被氧气抑制和终止

  
  

这个图帮助我们理解为什么两束激光的协同作用如此有效：

在传统的TPP过程中，飞秒激光通过双光子吸收激发光引发剂分子，产生自由基，进而引发聚合反应。

这个过程需要很高的光子密度，因此需要高功率的激光。

而在这项新技术中，532nm激光通过单光子吸收来辅助这个过程。

它的作用主要有两个：

1. 降低氧气浓度：氧气会抑制聚合反应。532nm激光可以有效地消耗氧气，为聚合反应创造有利条件。

2. 产生额外的自由基：532nm激光也能激发部分光引发剂分子，产生额外的自由基，加速聚合反应的启动。

   
   

通过这两种作用，532nm激光大大降低了聚合反应的启动门槛，因此飞秒激光所需的功率就可以相应降低。

突破成本瓶颈：TPP技术的应用新蓝图

AM易道认为，普渡大学这项双激光TPP技术研究虽然不是发在顶刊，但其意义深远，或将给高精度3D打印设备开发打开思路，其价值主要体现在以下几个方面：

大幅降低设备成本：

传统TPP设备的主要成本来自高功率飞秒激光器，根据AM易道认知，价格通常在小几十万美元之间。而这项新技术通过引入成本仅为飞秒激光器几分之一的纳秒激光，同时将飞秒激光功率需求降低一半以上，有望将整体设备成本削减30%-50%。这一成本优势将极大促进TPP设备的降本。

提升系统可靠性与效率：

较低的激光功率不仅意味着更低的能耗，还能显著延长昂贵飞秒激光器的使用寿命。同时，纳秒激光器技术更为成熟，维护成本低，进一步提高了整体系统的稳定性、降低了维护成本。这些因素综合作用，将显著提升双光子3D打印的整体效率和经济性。

拓宽应用领域：

成本门槛的降低将释放TPP技术在多个高价值领域的应用潜力：   - 微光学：双光子3D打印技术可制造高精度微型光学元件，如微透镜阵列、光波导等。成本降低将加速其在消费电子、AR/VR等新兴领域的应用。   - 生物医学：双光子3D打印可制造精细的生物支架和微流控设备。更低的成本将推动其在个性化医疗、药物筛选等领域的广泛应用。   - 新材料研究：双光子3D打印能制造复杂微观结构，用于新型材料性能研究。      - 精密制造：在精密仪器制造、微电子封装等领域，应用前景广阔。随着成本下降，其市场渗透率将逐步提升。

启发创新研究方向：

这种多波长协同工作的思路可能引发一系列关于提高3D打印效率和降低成本的创新研究。我们可能会看到更多结合不同波长、不同脉冲宽度激光的新型3D打印技术出现，进一步推动高精度3D打印技术，甚至SLM SLS SLA等更多利用激光成型技术的演进。

全球双光子聚合3D打印技术领军企业

双光子聚合（TPP）技术在3D打印领域比较小众，但此技术是纳米级3D打印领域的主流甚至唯一方案。这与目前市场上的微米级打印赛道需要做一区分。

AM易道对当前全球TPP技术市场进行了梳理主要有：

1. Nanoscribe作为TPP技术的先驱者之一，Nanoscribe在微光学和精密3D打印解决方案方面处于领先地位。该公司的系统能够生产多种具有高形状精度和光学平滑表面的微光学元件。

2. Multiphoton Optics专注于开发和商业化双光子聚合(TPP)技术，其创新不仅体现在其高分辨率和高速打印能力上，更在于其对复杂微观结构的精确控制。公司的技术在生物医学研究、微流体设备制造和先进光学元件生产等领域有着广泛应用，为客户提供从原型设计到小批量生产的全方位解决方案。

3. Microlight3D专注于为具有高精度要求的科学家和工业研究人员提供TPP基础的3D打印系统。该公司的产品以其高分辨率和灵活性而闻名，特别适合于生物医学研究和材料科学等领域的应用。

这些公司正在推动TPP技术在多个高价值应用领域的发展：

• 微光学：制造折射微光学元件、自由形态光学和衍射光学元件。

• 研发：为微观结构的快速原型设计和迭代提供支持。

• 生物医学应用：创建用于组织工程和药物输送系统的精确结构。

• 微流体：开发高分辨率的复杂微流体设备。

写在最后

虽然这项技术展现了巨大的潜力，但要真正实现大规模应用，还面临工艺优化、设备集成、材料开发、大尺寸制造等技术和产业难题。

但这不改变这项新技术的价值，它启示创新思路：有时候解决问题的方法并不一定是更强大的工具，而是更聪明的策略。

这项为AM易道读者朋友们提供了许多值得思考的问题：

• 双激光TPP技术的出现，更多多波长协同3D打印技术会有哪些新思路？

• 未来是否出现三束甚至更多激光协同的TPP乃至其他光固化系统？

• 在金属3D打印中，通过不同激光协同能否开辟新的道路？

• 成本降低后，高精度光固化技术可能在哪些新的领域找到应用？

• 随着3D打印精度不断提高，物理极限是什么？未来突破这些极限的方向可能是什么？

  
  

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https://doi.org/10.1364/OE.525826

     
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