納米級的雙光子3D打印技術，背后竟有這么多故事
時間：2019-02-18 11:58 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
今天要講的雙光子“掏洞”技術，有3個“最”：
-最精細的“雕刻”技術：納米牛
-與最偉大的物理學家密切相關：愛因斯坦
-類屬最時髦的制造技術：3D打印
聲明一點：此項技術并不是"在固體中掏出真空洞"，而是“液體中掏出固體洞”。與題意可能有偏離，但此技術的核心思想應該是很適合此問題的。
先放上納米牛。這頭牛10微米長，7微米高，加工精度高達150納米，已接近光的衍射極限。這是東京大阪大學的Kawata教授以及孫洪波教授在2001年研究成果，發表在Nature期刊上[1]。
有人覺得不過癮，于2014年在一根針上制作了世界上最小的人體雕塑。
這就是傳說中的“雙光子3D打印”技術，也是唯一的“掏洞型3D打印技術”。
何出此言呢？ 原來，絕大部分3D打印技術，本質上都是一種“2D堆疊技術”。它們之間的差別，不過是堆疊材料不同、成型原理不同而已。
以最著名的SLA光固化3D打印來說：
-基本原理：光敏樹脂被激光點照射后，由液體變成固體；未被照射則保持為液體。
-2D繪畫 ：每次僅在“固液結合面”上成型，形成薄薄的一層圖案。
-堆疊成型：畫完第1層之后，再畫第2層，循環往復……
那么，只要激光點足夠小、層層之間的高度足夠低，不就可以制作超高精度的雕塑了嗎？又干嘛非要用“掏洞型”的雙光子3D打印技術呢？
其實工程上的情況，一般都要比理論復雜。就舉一個最顯而易見的工程問題，SLA打印技術，在“固液結合面”上打印過程中和Z軸移動過程中，免不了要產生微小的漣漪。
這些漣漪很細微，幾乎觀察不到。之所以不影響SLA打印，是因為SLA的打印精度一般在0.1毫米左右，也就是100微米或者100000納米，離納米級的精度還差成千上萬倍啊！
所以，我們決定放棄“固液結合面”成型。換個思路，直接在液體內部掏出固體如何？
這就是所謂的“掏洞型”3D打印技術。
穿透液體去“掏洞”，沒那么容易
在液體中的掏洞原理，說起來簡單，但又不簡單。
為什么說起來簡單呢？因為它的基本思路太常見了：利用弱光穿透表面液體，在一點處匯集成強光實現固化。
不好意思放錯圖了，應該是下面這張圖：
這就是簡單的凸透鏡/凹面鏡聚光原理：每一束弱光強度都不夠，但在焦點處會產生強大的效應。這東西還超便宜，淘寶上幾十塊錢一個。
早在幾千年前，阿基米德還利用這一原理以弱勝強呢，就像咱們小時候用放大鏡來燒死螞蟻一樣。
這個原理是不是太簡單了？放在幾千年前，這稱之為大智慧，我是信的。但要說這與愛因斯坦有關，那不是開玩笑嗎？
但實際上，“掏洞型”的雙光子3D打印一點也不簡單！ 它與量子理論的發展相依共舞、前前后后花了100多年才能實現。究竟是怎么回事？
原來，激光束在聚焦的同時，也在被沿途的液體吸收。
聚焦效應：越深越強。
吸引效應：越深越弱。
變強與變弱兩種效應針鋒相對，當矛與盾相遇，熟強熟弱呢？還是來算一下吧：
聚焦效應就是一個幾何方程，按平方反比增強：
公式不直觀，定性地做個圖看看，可以發現：負指數的吸收效應太強了(紅色線)，才不到2%的深度就完全主宰了平方反比的聚焦效應(藍色線)。最終效果是：兩種效應下，越深光強越弱，完全達不到“掏洞”的目的。
注：I(x)并非是單調遞減函數。公式中有介質參數α、焦距參數f等。若任意選擇參數，也是有可能實現聚焦效果的，但在現實世界中并不存在這樣的參數。
-最精細的“雕刻”技術：納米牛
-與最偉大的物理學家密切相關：愛因斯坦
-類屬最時髦的制造技術：3D打印
聲明一點：此項技術并不是"在固體中掏出真空洞"，而是“液體中掏出固體洞”。與題意可能有偏離，但此技術的核心思想應該是很適合此問題的。
先放上納米牛。這頭牛10微米長，7微米高，加工精度高達150納米，已接近光的衍射極限。這是東京大阪大學的Kawata教授以及孫洪波教授在2001年研究成果，發表在Nature期刊上[1]。
『圖片來源：文獻[2]』
有人覺得不過癮，于2014年在一根針上制作了世界上最小的人體雕塑。
『圖片來源：文獻[3]』
這就是傳說中的“雙光子3D打印”技術，也是唯一的“掏洞型3D打印技術”。
何出此言呢？ 原來，絕大部分3D打印技術，本質上都是一種“2D堆疊技術”。它們之間的差別，不過是堆疊材料不同、成型原理不同而已。
以最著名的SLA光固化3D打印來說：
-基本原理：光敏樹脂被激光點照射后，由液體變成固體；未被照射則保持為液體。
-2D繪畫 ：每次僅在“固液結合面”上成型，形成薄薄的一層圖案。
-堆疊成型：畫完第1層之后，再畫第2層，循環往復……
那么，只要激光點足夠小、層層之間的高度足夠低，不就可以制作超高精度的雕塑了嗎？又干嘛非要用“掏洞型”的雙光子3D打印技術呢？
其實工程上的情況，一般都要比理論復雜。就舉一個最顯而易見的工程問題，SLA打印技術，在“固液結合面”上打印過程中和Z軸移動過程中，免不了要產生微小的漣漪。
這些漣漪很細微，幾乎觀察不到。之所以不影響SLA打印，是因為SLA的打印精度一般在0.1毫米左右，也就是100微米或者100000納米，離納米級的精度還差成千上萬倍啊！
所以，我們決定放棄“固液結合面”成型。換個思路，直接在液體內部掏出固體如何？
這就是所謂的“掏洞型”3D打印技術。
穿透液體去“掏洞”，沒那么容易
在液體中的掏洞原理，說起來簡單，但又不簡單。
為什么說起來簡單呢？因為它的基本思路太常見了：利用弱光穿透表面液體，在一點處匯集成強光實現固化。
不好意思放錯圖了，應該是下面這張圖：
這就是簡單的凸透鏡/凹面鏡聚光原理：每一束弱光強度都不夠，但在焦點處會產生強大的效應。這東西還超便宜，淘寶上幾十塊錢一個。
早在幾千年前，阿基米德還利用這一原理以弱勝強呢，就像咱們小時候用放大鏡來燒死螞蟻一樣。
『阿基米德的故事』
這個原理是不是太簡單了？放在幾千年前，這稱之為大智慧，我是信的。但要說這與愛因斯坦有關，那不是開玩笑嗎？
但實際上，“掏洞型”的雙光子3D打印一點也不簡單！ 它與量子理論的發展相依共舞、前前后后花了100多年才能實現。究竟是怎么回事？
原來，激光束在聚焦的同時，也在被沿途的液體吸收。
聚焦效應：越深越強。
吸引效應：越深越弱。
變強與變弱兩種效應針鋒相對，當矛與盾相遇，熟強熟弱呢？還是來算一下吧：
聚焦效應就是一個幾何方程，按平方反比增強：
公式不直觀，定性地做個圖看看，可以發現：負指數的吸收效應太強了(紅色線)，才不到2%的深度就完全主宰了平方反比的聚焦效應(藍色線)。最終效果是：兩種效應下，越深光強越弱，完全達不到“掏洞”的目的。
注：I(x)并非是單調遞減函數。公式中有介質參數α、焦距參數f等。若任意選擇參數，也是有可能實現聚焦效果的，但在現實世界中并不存在這樣的參數。
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