鞋盒大小的3D激光納米打印機問世，基于兩步吸收原理！
時間：2024-08-01 08:53 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年7月9日，來自德國卡爾斯魯厄理工學院 (KIT)，應用物理研究所 (APH)的研究團隊開發出一款革命性的3D激光納米打印機，其體積小巧到足以放入鞋盒之中，同時具備卓越的打印性能。這項研究已經發表在Light: Advanced Manufacturing期刊上，題目為A shoe-box-sized 3D laser nanoprinter based on two-step absorption。此研究揭示了一種基于兩步吸收原理的創新3D打印方法，該方法的成本更低、使用了連續波長405nm的GaN半導體激光二極管，輸出功率可低于1mW。
兩步吸收原理兩步吸收原理是一種用于3D激光納米打印的新原理，與傳統的雙光子或多光子吸收過程不同。傳統的3D激光微納米打印通常依賴于高功率的皮秒或飛秒激光，這些激光能夠觸發光敏材料內的雙光子或多光子吸收，從而在微小尺度上進行精確的光刻。然而，這種方法往往導致儀器體積龐大且成本高昂，限制了其在小型研究團隊或教育機構中的普及。
△緊湊型3D激光納米打印機的光學裝置方案
兩步吸收原理則是通過連續兩次單光子吸收來激發材料，而不是同時吸收兩個光子。這個過程可以理解為一個光子被材料吸收，然后在特定條件下，另一個光子被吸收，引發化學反應。相比于雙光子吸收，兩步吸收機制可以在較低的激光強度下工作，因此可以使用低功率、連續波長的半導體激光二極管，如405nm波長的GaN激光二極管，其輸出功率低于1mW。目前，基于405nm連續波長半導體激光二極管的一色兩步吸收機制在性能上優于其他兩步吸收機制，能夠實現100nm的橫向空間分辨率和高達4mm/s的打印速度，展示了其在3D激光納米打印領域的巨大潛力。
這種3D打印方式的優勢在于極大地降低了所需激光系統的復雜性和成本，因為不需要使用昂貴的飛秒脈沖激光器。此外，由于兩步吸收機制對激光功率的要求較低，使得整個3D激光納米打印系統的體積可以顯著減小，甚至可以裝入一個鞋盒大小的空間內，這為3D激光納米打印技術的普及和便攜性帶來了革命性的改變。
基于兩步吸收原理，研究人員已經成功地開發出了一個完全集成的、高分辨率3D激光納米打印系統。打印系統體積小、成本低，為納米級結構的快速制造開辟了新的途徑，同時也為小型實驗室和教育機構提供了獲取先進制造技術的可能。
打印機特點
緊湊型光學設置
●光源：采用低成本的GaN半導體激光二極管，工作在405nm波長，輸出功率低于1mW，體積小巧，僅3.8mm直徑的外殼。
●光束凈化與準直：激光二極管發射的發散橢圓光束經過一個5μm直徑的針孔進行凈化，隨后通過第二個透鏡進行準直。
●MEMS掃描器：二維MEMS掃描器用于在xy平面內引導激光束掃描任意軌跡，與僅1.6mm直徑的MEMS反射鏡兼容。
●掃描與管鏡：MEMS掃描器和管鏡組合使用，將MEMS鏡像在物鏡的入瞳平面上，并擴大光束直徑。
●高NA顯微物鏡：高數值孔徑的顯微物鏡（NA=1.4，100倍放大）安裝在壓電滑動z軸上，用于在液態光敏樹脂中聚焦激光束。
●監控系統：緊湊型相機允許監控打印過程，同時顯微物鏡收集來自透射照明的光線，幫助定位樣品與光敏樹脂界面并調整焦距。
△光學裝置和關鍵元件
緊湊型控制單元
△3D激光納米打印機的控制單元照片
●核心微控制器：打印機使用強大的Teensy 4.1微控制器，安裝在自制的PCB上，作為控制單元的核心，接口連接實驗室電腦和激光打印系統。
●數據傳輸與存儲：打印任務文件直接轉換為MEMS掃描器的數字值，并緩沖在板載內存中
●自主打印操作：發送運行命令后，加載的作業開始自主打印，同時微控制器向電腦反饋信息，微控制器同時輸出MEMS掃描器位置和激光二極管驅動電壓。
●參數調整與控制：除了打印作業文件外，可以向微控制器發送額外命令來改變預設參數。
性能測試與分辨率
△打印3D結構的掃描電子顯微照片
●測試結構：研究人員打印了具有特殊要求的三維結構，如螺旋結構和金字塔結構，以評估打印機性能。
●分辨率與速度：實現約100nm的橫向空間分辨率和約1mm/s的焦點掃描速度，展示出色的打印能力和精度。
總結
這款鞋盒大小的3D激光納米打印機代表著微納制造技術的重大進步，不僅大大降低了成本，還提高了便攜性，為實驗室和工業應用開辟了新的可能性，尤其是那些需要高精度和快速原型制作的領域。隨著技術的進一步發展，這類打印機有望成為微納制造的標準工具，加速科研成果的轉化和商業化的進程。
原文鏈接：https://www.light-am.com/en/article/doi/10.37188/lam.2024.027
兩步吸收原理兩步吸收原理是一種用于3D激光納米打印的新原理，與傳統的雙光子或多光子吸收過程不同。傳統的3D激光微納米打印通常依賴于高功率的皮秒或飛秒激光，這些激光能夠觸發光敏材料內的雙光子或多光子吸收，從而在微小尺度上進行精確的光刻。然而，這種方法往往導致儀器體積龐大且成本高昂，限制了其在小型研究團隊或教育機構中的普及。
△緊湊型3D激光納米打印機的光學裝置方案
兩步吸收原理則是通過連續兩次單光子吸收來激發材料，而不是同時吸收兩個光子。這個過程可以理解為一個光子被材料吸收，然后在特定條件下，另一個光子被吸收，引發化學反應。相比于雙光子吸收，兩步吸收機制可以在較低的激光強度下工作，因此可以使用低功率、連續波長的半導體激光二極管，如405nm波長的GaN激光二極管，其輸出功率低于1mW。目前，基于405nm連續波長半導體激光二極管的一色兩步吸收機制在性能上優于其他兩步吸收機制，能夠實現100nm的橫向空間分辨率和高達4mm/s的打印速度，展示了其在3D激光納米打印領域的巨大潛力。
這種3D打印方式的優勢在于極大地降低了所需激光系統的復雜性和成本，因為不需要使用昂貴的飛秒脈沖激光器。此外，由于兩步吸收機制對激光功率的要求較低，使得整個3D激光納米打印系統的體積可以顯著減小，甚至可以裝入一個鞋盒大小的空間內，這為3D激光納米打印技術的普及和便攜性帶來了革命性的改變。
基于兩步吸收原理，研究人員已經成功地開發出了一個完全集成的、高分辨率3D激光納米打印系統。打印系統體積小、成本低，為納米級結構的快速制造開辟了新的途徑，同時也為小型實驗室和教育機構提供了獲取先進制造技術的可能。
打印機特點
緊湊型光學設置
●光源：采用低成本的GaN半導體激光二極管，工作在405nm波長，輸出功率低于1mW，體積小巧，僅3.8mm直徑的外殼。
●光束凈化與準直：激光二極管發射的發散橢圓光束經過一個5μm直徑的針孔進行凈化，隨后通過第二個透鏡進行準直。
●MEMS掃描器：二維MEMS掃描器用于在xy平面內引導激光束掃描任意軌跡，與僅1.6mm直徑的MEMS反射鏡兼容。
●掃描與管鏡：MEMS掃描器和管鏡組合使用，將MEMS鏡像在物鏡的入瞳平面上，并擴大光束直徑。
●高NA顯微物鏡：高數值孔徑的顯微物鏡（NA=1.4，100倍放大）安裝在壓電滑動z軸上，用于在液態光敏樹脂中聚焦激光束。
●監控系統：緊湊型相機允許監控打印過程，同時顯微物鏡收集來自透射照明的光線，幫助定位樣品與光敏樹脂界面并調整焦距。
△光學裝置和關鍵元件
緊湊型控制單元
△3D激光納米打印機的控制單元照片
●核心微控制器：打印機使用強大的Teensy 4.1微控制器，安裝在自制的PCB上，作為控制單元的核心，接口連接實驗室電腦和激光打印系統。
●數據傳輸與存儲：打印任務文件直接轉換為MEMS掃描器的數字值，并緩沖在板載內存中
●自主打印操作：發送運行命令后，加載的作業開始自主打印，同時微控制器向電腦反饋信息，微控制器同時輸出MEMS掃描器位置和激光二極管驅動電壓。
●參數調整與控制：除了打印作業文件外，可以向微控制器發送額外命令來改變預設參數。
性能測試與分辨率
△打印3D結構的掃描電子顯微照片
●測試結構：研究人員打印了具有特殊要求的三維結構，如螺旋結構和金字塔結構，以評估打印機性能。
●分辨率與速度：實現約100nm的橫向空間分辨率和約1mm/s的焦點掃描速度，展示出色的打印能力和精度。
總結
這款鞋盒大小的3D激光納米打印機代表著微納制造技術的重大進步，不僅大大降低了成本，還提高了便攜性，為實驗室和工業應用開辟了新的可能性，尤其是那些需要高精度和快速原型制作的領域。隨著技術的進一步發展，這類打印機有望成為微納制造的標準工具，加速科研成果的轉化和商業化的進程。
原文鏈接：https://www.light-am.com/en/article/doi/10.37188/lam.2024.027
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