研究人員開發(fā)出一種新的雙光子聚合技術(shù)，利用兩束激光來三維打印復(fù)雜的高分辨率結(jié)構(gòu)。這一進(jìn)展可以降低這種三維打印工藝的成本，幫助它在各種應(yīng)用中得到更廣泛的使用。

雙光子聚合是一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)，傳統(tǒng)上使用飛秒激光以精確的三維方式聚合材料。雖然這種工藝在制造高分辨率微結(jié)構(gòu)方面效果很好，但由于飛秒激光器價(jià)格昂貴，增加了打印部件的成本，因此并沒有廣泛應(yīng)用于制造領(lǐng)域。

來自普渡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Xianfan Xu說：“我們將成本相對較低的發(fā)射可見光的激光器與發(fā)射紅外脈沖的飛秒激光器結(jié)合起來，以降低飛秒激光器的功率要求。"這樣，在給定飛秒激光功率的情況下，打印吞吐量就可以提高，從而降低打印單個(gè)零件的成本”。

研究人員在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Express）雜志上表示，與單獨(dú)使用飛秒激光相比，雙激光方法可將飛秒激光3D打印所需的功率降低多達(dá)50%。

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激光閾值功率∼50% fs 的3D打印結(jié)構(gòu)。比例尺：5μm。

Xu說：“高分辨率三維打印有很多應(yīng)用，包括三維電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微型機(jī)器人以及組織工程的3D結(jié)構(gòu)或支架。"我們新穎的3D打印方法可以在許多現(xiàn)有的飛秒激光3D打印系統(tǒng)中輕松實(shí)現(xiàn)�！�

找到正確的激光平衡

這項(xiàng)新工作是研究團(tuán)隊(duì)不斷提高雙光子聚合打印速度和降低打印成本的努力的一部分，雙光子聚合是利用雙光子吸收現(xiàn)象來精確固化或凝固光敏材料。

Xu說：“在傳統(tǒng)的雙光子聚合印刷過程中，飛秒激光首先用于啟動一個(gè)光化學(xué)過程，在印刷開始之前減少材料中的抑制物種。我們使用了一種低成本激光器來實(shí)現(xiàn)這一目的”。

新方法結(jié)合了532納米納秒激光的單光子吸收和800納米飛秒激光的雙光子吸收。為使其發(fā)揮作用，研究人員必須在兩種激光的打印和抑制作用之間找到適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

為此，他們創(chuàng)建了一個(gè)新的數(shù)學(xué)模型，以幫助他們了解相關(guān)的光化學(xué)過程，并計(jì)算雙光子和單光子激發(fā)過程的綜合效應(yīng)。他們還利用該模型確定了控制飛秒激光功率降低程度的主要過程，同時(shí)還能獲得理想的印刷效果。

圖片:precise-and-less-expen.jpg

一種新的雙光子聚合技術(shù)將成本相對較低的納秒脈沖激光器與功率較低的飛秒激光器相結(jié)合，從而能以較低的激光功率進(jìn)行復(fù)雜的高分辨率結(jié)構(gòu)的3D打印。

打印精細(xì)結(jié)構(gòu)

在對新方法進(jìn)行微調(diào)后，他們使用這種方法以較低的飛秒激光功率打印出了各種二維和三維結(jié)構(gòu)。其中包括尺寸僅為 25 × 25 × 10 μm 的精細(xì)木樁，以及微米級的扣球、手性結(jié)構(gòu)和三葉形結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新方法將二維結(jié)構(gòu)所需的飛秒激光功率降低了80%，將3D結(jié)構(gòu)所需的飛秒激光功率降低了約50%。

Xu 說：“這種新的打印方法可能會對制造技術(shù)產(chǎn)生影響，影響現(xiàn)在和未來消費(fèi)電子和醫(yī)療保健領(lǐng)域的設(shè)備開發(fā)。研究人員目前正在努力進(jìn)一步提高打印速度，降低3D打印成本。”

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OE.525826