微米精度三维激光打印

三维打印正在全方面地改变着人们的生活。然而,目前的三维打印技术难以达到微米级的精度,对该技术在诸如生物材料打印、微电子学、微光学、微流体、微机械等一系列重要领域中获得普遍应用带来了困难。解决该问题的关键是建立一个新的光学聚焦手段,能够利用长焦距透镜来产生直径为微米量级的球状激光焦斑。在光敏树脂中扫描该球状焦点,可对树脂进行逐点的固化并最终形成任意三维立体结构。这一突破传统光学衍射特性限制的聚焦手段被称为飞秒激光时空聚焦,将对高精度三维打印领域产生革命性的影响。

中科院上海光学精密机械研究所程亚课题组将飞秒激光时空聚焦技术与双光子聚合技术融合,演示了精度在10微米以下,成型后的结构高度可达到厘米以上的高精度三维打印技术。双光子聚合是通过将飞秒激光脉冲作用于光敏树脂,使得焦点附近的树脂通过非线性光吸收获得光固化的物理过程。在三维空间中沿着计算机事先设计的三维图形轮廓移动飞秒激光焦点,可逐点固化树脂材料。最后将未被固化的残留光敏树脂在化学溶剂中洗去,可获得具有任意三维构型的立体结构。双光子聚合三维打印技术的精度取决于激光聚焦焦斑的尺寸,而可获得的打印结构高度取决于聚焦透镜的焦距长度。然而,透镜焦距的增加会导致空间分辨率的急剧下降,尤其在沿着激光传播方向的纵向分辨率的下降更为明显。因此,在双光子聚合应用中,为了保持较高的打印分辨率,最终能够获得的三维立体结构尺寸通常都在毫米以下,难以满足很多应用的需求。借助于时空聚焦技术,通过对激光脉冲中的光谱位相进行调控后再实施透镜聚焦,能够在实现大尺寸三维激光打印的同时仍然保持非常高的空间分辨率。从原理上看,通过进一步对加工参数进行优化,可以获得分辨率逼近1微米,结构厚度达到厘米甚至10厘米量级的三维打印能力。同时,该技术途径也可以用于光敏树脂以外的其它透明材料的高精度三维打印,包括玻璃等脆硬材料的三维打印。我们预见该技术将在微流芯片、微机械、三维光子结构等领域获得重要的创新应用。

相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201700396) 上。

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