不可思議的微納造物技術：很大程度改善粗糙度和精度
相信絕大多數人對“3D打印”這個概念并不會感到陌生，因為桌面級家用小型3D打印機早已走入了千家萬戶，也有眾多的學校或機構購買了專業級3D打印機供學生或用戶使用，以3D打印機為核心的教育課程也如雨后春筍般在各個大城市中出現。
從各個方面看，目前的3D打印都已經進入到了細分市場的階段：從價格上來看，有較為便宜的家用桌面級小型3D打印機，也有較為昂貴的用于實際工業生產的大型工業級3D打印機；從打印用到的材料來看，有的是樹脂、塑料，有的是金屬，有的甚至用黏土。
以黏土為原材料的3D打印機
不過，由于通常的3D打印機都是基于“分層制造”的原理工作的，因此無論是桌面級還是工業級，3D打印的物體層的精度很受限，存在所謂的“臺階效應”，這使得3D打印機很難制造低粗糙度、高精度的器件，如各種光學元件、微納尺度的結構器件等等。
今天要給大家介紹的技術則從另一個角度出發，很大程度上改善了粗糙度和精度的問題，它被稱為雙光子3D打印，準確地說應該稱為“雙光子激光直寫技術”，也被稱為“雙光子聚合技術（Two-photon polymerization （2PP） technology）”。
要準確描述這項技術，首先要了解清楚什么叫做“雙光子吸收效應”。
雙光子吸收效應
物質可以對光產生吸收，這一點我們非常熟悉。有一些造物技術就是基于這一點，例如，用紫外光照射光敏聚合物，被照射到的地方逐漸產生固化，由液態、膠態轉化為固態。這項技術的一個常見應用就是牙科診所中用光敏物質填補牙齒。
絕大多數物質對光的吸收都是將一個光子作為基礎單位進行吸收的，一次只能吸收一個光子。但是在有些特殊物質中，由于存在特殊的能級躍遷模式，也會出現同時吸收多個（幾個甚至幾十個）光子的情況，這就是“多光子吸收效應”。
但該效應的條件非常苛刻，往往要求特定的物質和極高的能量密度。雙光子吸收效應是該類效應中的一種典型代表。在雙光子吸收過程中，材料分子由基態躍遷至激發態，中間經過一個虛能級完成。
通常情況下，物質與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體對特定波長的光透過率吸收率是一定的，這個比例并不會隨著光強度變化而變化，因此這種作用是線性的。但是雙光子吸收卻是一種三階非線性效應，即隨著光能量密度的增加，該效應會快速加強。
線性和非線性吸收效應曲線示意圖
借助于這種非線性的雙光子吸收效應，科學家將微納尺度的3D打印變成了現實。
只有當光強增強到一定值，才會出現較為明顯的雙光子吸收效應，利用這一點，我們可以通過將激光聚焦的方式，將反應區域局限在焦點附近極小的位置。并且通過精密移動臺納米量級的移動，使該焦點在光敏物質內移動，聚焦的微納光斑經過的位置，光敏物質產生變性和固化，因此可以打印任意形狀的3D物體。
使用這種方式打印的微納物體最大的特點是精度高，理論精度可以達到100nm作用，這是傳統3D打印方法難以企及的。
雙光子激光直寫技術原理示意圖（https：//3dprintingindustry.com/news/77339-77339/）
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