纳米级打印，国内在双光子聚合技术领域的最新进展

双光子聚合技术(2PP)是一种“纳米光学”3D打印方法，类似于光固化快速成型技术，未来学家 Christopher Barnatt认为这种技术未来可能会成为主流3D打印形式。

国际上，维也纳科技大学的科学家们一致致力于提高感光性树脂性能和成像技术。而英国帝国理工学院还通过德国的Nanoscribe设备打印出只有100微米长的中国长城模型赠送给习主席。


来源:NanoScribe设备打印出来的长城模型

挑战
微小的尺度

NanoScribe这样的双光子聚合技术潜在的应用范围和影响力是很特殊的。其应用领域包括：

光子学 (Photonics):光子晶体、超颖材料、激光分布回馈术(DFB Lasers) 光子共振环、绕射光学

微光子学 (Micro Optics):微光学器件、整合型光学

微流道技术 (Micro Fluidics):生医芯片系统、物质研究开发与分析、三维基础结构 与 微流道通路

生命科学 (Life Sciences):细胞外数组结构、干细胞分离术、细胞成长研究、细胞迁移研究、组织工程

纳米与微米工艺 (Nano- and Microtechnology):超细分辨率光学掩膜、壁虎与莲花效应分析

双光子聚合技术的原理是通过使用“飞秒脉冲激光”选择性固化感光树脂。听起来似乎像光固化快速成型，区别在于双光子聚合技术能够实现的最小层厚和X-Y轴分辨率均在100纳米和200纳米之间。换句话说2PP 3D打印技术比传统光固化成型技术精确度高了几百倍，打印出来的东西比细菌还小。

镜子的移动是2PP技术的一大核心，通过镜子来引导的激光必须十分精准，而镜子在打印过程中处于不断运动的状态中，所以运动频率必须要调整得十分精准。

在国内，据市场研究结果，从事双光子聚合技术研究的代表机构是清华大学深圳研究生院。如下图所示，清华大学深圳研究院的设备特征在于：飞秒激光脉冲系统的光路上还具有反射镜和扩束镜，从飞秒激光器到物镜，光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜、分色镜顺次设置；打印中，飞秒激光器产生双光子激光，经过光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜和物镜将激光聚焦，来使光敏树脂交联。


图:深圳清华研究生院的双光子聚合技术原理

与国外所采用的嵌入到树脂内的“引发剂”分子类似，清华大学深圳研究院所使用的光敏树脂中的光敏剂在光子强度高的焦点处才产生双光子聚合。

相对于普通的SLA3D打印光聚合采用紫外波长的激光(250-400nm)，光子能量高，光经过的地方均发生聚合，清华大学深圳研究院的双光子聚合采用近红外波长(600-1000nm)的激光，近红外波长光子能量低，线性吸收及瑞利散射小，在介质中穿透性高，引发剂或光敏剂在光子强度高的焦点处才会产生双光子聚合，进而引发液态树脂发生聚合而固化。

另外，相比于传统的单光子聚合的SLA 3D打印机技术，由于材料的双光子吸收速率与入射光功率密度的平方成正比，材料被激发的速率在远离焦点的方向衰减的更为迅速，因此，由双光子吸收引发的光化学反应将被局限在光功率密度很高的焦点周围极小的区域内，光束途经的其它部分几乎不受影响。

值得一提的是如此微小的产品打印采用的模型切片软件也是特殊的，清华大学深圳研究院采用模型切片软件Cura，Skeinforge和Ferry等，在切片的过程中，可以通过调节层高，光斑直径，来对应于打印的精度，得到合适的打印路径。

为了让双光子聚合3D打印机达到微纳尺度的加工精度。清华大学深圳研究院进一步将所有的设备安装在主动去震平台上，以保证绝对的精度和稳定。通过超高精度的滑台和超高精度的双光子聚合范围相互匹配，实现了高精度的打印。

在3D打印领域的一个有趣现象是，当国外出现一种技术苗头的时候，基本上国内很快就会有类似的技术对标国外的技术。这些国内的技术通常出现在高校，这使得从实验室走向市场化的过程变得尤为重要。