双光子聚合
只在激光焦点处固化树脂，打印 3D 微型零件
双光子聚合是细胞尺度的 3D 打印。聚焦的激光只在焦点处固化液态树脂，所以移动焦点就能绘制出细节小于一微米（0.001 mm）的物体。它能在光纤端面上打印微透镜，也能打印用于培养细胞的支架。
工作原理
滴一滴树脂。 一滴液态光敏树脂（一种遇光固化的塑料）滴在玻璃片上，或直接滴在光纤端面或芯片上。
聚焦激光。 近红外光（略超出红光，人眼看不见）的飞秒脉冲穿过显微物镜（一种高倍透镜），在树脂内部汇聚成一点。
只固化焦点。 只有在焦点处，光才强到足以让分子同时吸收两个光子（光的粒子）。这会固化一个体素：约一微米或更小的 3D 像素。
在三维中书写。 反射镜和位移台让焦点沿着从 CAD 模型切片得到的路径移动，逐点、逐层进行。零件在液体中生长，通常不需要支撑结构。
洗去液体。 溶剂冲走未固化的树脂，露出固态的微型零件。精细零件要小心干燥，以免液体表面张力把它们弄弯。
关键数据
- 材料
- 光敏树脂：丙烯酸酯、环氧树脂如 SU-8、有机-玻璃混合树脂；部分生物相容或可成玻璃的树脂
- 典型零件
- 微透镜和光学元件、细胞支架、微流控过滤器、晶格超材料、创纪录的微小雕塑
- 零件尺寸
- 特征尺寸约从 0.1 µm 起；整个零件通常为几微米到几毫米
- 精度
- 亚微米级细节；研究型系统可达约 100 nm 或更小的特征
- 表面质量
- 光滑到足以用于光学；在电子显微镜下可见细小的层阶
- 适合的批量
- 原型和小批量；也可作为翻模复制件的母模
- 模具与设备成本
- 无需模具；打印机往往要几十万美元
- 速度
- 很慢：一个几毫米大的零件可能要花几个小时
优点与局限
优点
- 亚微米分辨率的真正自由形态 3D 打印
- 无需掩模或模具：从 CAD 直接到零件
- 可直接打印在光纤、芯片上和通道内部
- 可以获得光滑的光学级表面
局限
- 超过几毫米的东西就会非常慢
- 成型体积小，打印机昂贵
- 仅限于光固化树脂
- 收缩会使零件变形，除非设计时做了补偿
应用领域
- 光子学光纤端面上的微透镜、波导、衍射光学元件
- 生命科学细胞培养和干细胞研究用的支架、微针
- 微流控在通道内部打印的 3D 过滤器和混合器
- MEMS 与传感器微型弹簧、微型夹爪、原子力显微镜的探针针尖
- 材料研究机械超材料（具有特殊性能的点阵结构）、纳米点阵
- 艺术与科普微型雕塑和创纪录的微小物体
如何识别
- 您几乎不会遇到：这些零件比一粒沙子还小，存在于实验室、原型光学元件和研究设备中。
- 在显微镜下：形状完美的 3D 物体，带有细小的阶梯状层纹，像一件微型 3D 打印品。
- 悬垂结构、点阵和封闭的中空形状，这些是任何模具都无法脱模的。
- 一个透镜或结构，直接位于光纤的切断端面上。
对比
观看
g Fun Facts online · 对原理的简短易懂的讲解
scientificblogging · 正在打印的、比一粒沙子还小的赛车
Nanoscribe · 打印出的微型零件和电子显微镜特写
UpNano · 一台商用打印机及其零部件的构造
查看实拍照片
- 维基百科：Multiphoton lithography（多光子光刻） — 原理、材料和应用；照片很少
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 树脂只在两个光子同时到达的地方固化：即激光的焦点处。
- 移动这个焦点，就能画出具有亚微米细节的真正 3D 形状。
- 它很慢，且尺度很小：非常适合微光学元件、支架和原型。
