评论:亚微米尺度3D打印的进展

在过去的十年中，大量不同的商用3D打印机已经冲击了科学和工业市场。在寻找低微米和亚微米范围内的可打印特征或体素尺寸时，基于光学的方法处于领先地位，特别是基于双光子吸收的3D激光打印。通过使用这种二阶类型的光学非线性，激发可以在所有三个维度上充分集中，这是仅吸收一个光子[1]所不可能的。

在通常情况下，一个分子同时吸收两个光子是极不可能的。只有通过使用紧密聚焦的飞秒激光脉冲，这个过程发生的概率才会变得与只吸收一个光子的概率非常相似。少数销售双光子3D激光打印机的公司在全球拥有超过1000个客户，目前主要是在学术界，但在工业领域的比例正在增加。

那么这有什么问题呢?单是必要的飞秒激光器就要花费数万欧元，而且占整个仪器体积的最大比例。此外，飞秒激光器在运行数年后，往往会出现可靠性问题。最后，在树脂内部产生不必要的微爆炸的点通常离打印所需的激光功率不远，即材料的聚合。对于稳健的工业流程来说，这样的临界性是不需要的。

人们真的很想做同样的3D打印，但要使用紧凑的低功率连续波半导体激光二极管，就像任何蓝光光盘阅读器、电脑鼠标或手持激光笔中使用的那样。尽管如此，光开关(一种分子)仍然需要在吸收两个光子后才开始局部化学反应，而不是在只吸收一个光子之后。我们能这样做吗?

是的。我们把这种过程称为两步吸收。在这里，两个光子不是同时被吸收，而是依次被吸收。这可以通过引入一个足够长寿命的中间态或分子的空闲态来实现:第一个光子的吸收将一个电子从分子的基态带到这个空闲态。理想情况下，什么都不会发生。第二个光子的吸收使电子从空闲状态进入更高能量的激发态，从那里开始化学反应。

在3D激光打印中，两步吸收可用于两种不同的方式。在第一种变型中，单色两步打印，只需要一个激光颜色。这种颜色可以调和上述两种过渡。这种改型允许用一种紧凑的低功率连续波激光二极管取代目前商用双光子3D激光打印机中的飞秒激光器。令人惊讶的是，两步吸收所获得的体素大小或分辨率甚至比双光子吸收[2]更好，因为两步吸收所获得的光波长比大多数商用双光子激光打印机所使用的光波长要小大约两倍。

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在不久的将来，两步吸收似乎不太可能完全取代双光子吸收。当涉及到最高打印速度时，双光子吸收仍然有其优势。然而，我们可以预见，低成本鞋盒大小的3D打印机的单色两步吸收具有光明的未来，可以实现深微米和纳米级。3D增材制造社区谈论技术的民主化。与世界市场领先的双光子3D打印机相应的合作转移项目，Nanoscribe - BICO公司，已于2022年初开始。

第二种两步吸收可以用于我们的优势是我们所说的双色两步3D激光打印。在会议发言中，我们将介绍相应的尚未发表的资料。

[1]“三维激光纳米打印”， V.哈恩，F.梅尔，M.蒂尔和M.韦格纳，

光子新闻30.， 28 (2019)

[2]”三维纳米打印用两步吸收取代双光子吸收”,

V.哈恩，T.梅瑟，N.M.博雅诺夫斯基，E.R. Curticean, I. Wacker, R. Schröder, E.布拉斯科，

和M.魏格纳，自然光子。15， 932 (2021)

韦格纳教授以及其他来自3D打印研究前沿的演讲者的更多演讲现在就报名参加今年的添加剂国际会议该展览将于7月13日至14日在诺丁汉的阿尔伯特厅会议中心举行。