揭秘不可思议的微纳造物技术：双光子3D打印

雷锋网按：本文作者@看风景的蜗牛君，中科院光学工程博士。雷锋网(公众号：雷锋网)独家首发文章，转载请联系授权。

经过多年媒体的熏陶，相信绝大多数人都已经听过3D打印这个概念。不少人甚至认为，3D打印技术将作为重要技术基石之一，把人类的工业文明推进到4.0时代。目前的3D打印也已经进入到了细分市场的阶段，有家用桌面级的小型3D打印机，也有工业生产的大型工业级3D打印机；打印材料有的是塑料，有的是金属，甚至还有黏土。

 图1 以黏土为基础材料的3D打印作品（笔者2015年拍摄于第二届世界3D打印博览会）

但无论是桌面级还是工业级，常见的3D打印机工作原理都是分层制造，这使得层与层之间的精度很受限，存在所谓的“台阶效应”。这使得3D打印机难以制造高精度的器件，如各种光学元件、微纳尺度的结构器件等等。

今天要给大家介绍的技术则完美的解决了这个问题，它被称为双光子3D打印，其实专业名称应该是双光子激光直写技术。为了理解这项技术，首先要知道什么叫做“双光子吸收效应”。物质对光的吸收作用我们非常熟悉，以此为基础的造物技术也很常见，比如用紫外光照射一些光敏聚合物质，被光照射到的地方就会固化，成为固态的物体。如果您曾经利用光敏填充胶补过牙齿，就会有更直观的感受了。

中学物理中我们曾经学到过，绝大多数物质对光的吸收都是将一个光子作为基础单位进行的吸收的，一次只能吸收一个光子。但是实际上，极少数情况下，由于物质中存在特殊的能级跃迁模式，也会出现同时吸收两个光子的情况，这就是“双光子吸收效应”。但双光子吸收的条件非常苛刻，它要求特定的物质和极高的能量密度。

通常情况下，物质与光的相互作用是一种线性作用。常见的物体，如一块玻璃或一杯水，对特定波长的光透过率是一定的，吸收率也是一定的，这个比例并不会随着光强度变化而变化，因此这种作用是线性的。但是双光子吸收却是一种三阶非线性效应，即随着光能量密度的增加，该效应会随之加强。

 图2 线性和非线性吸收示意曲线

这种非线性的双光子吸收效应使得微纳尺度的3D打印成为可能。既然只有当光强达到一定值，才会出现明显的双光子吸收效应，那么若是将激光聚焦，则可以将反应区域局域在焦点附近极小的位置。通过纳米级精密移动台，使得该焦点在光敏物质内移动，焦点经过的位置，光敏物质变性、固化，因此可以打印任意形状的3D物体。

 图3 双光子激光直写技术原理示意图

（German Researchers Develop 3D Printing Technique Capable of Printing Micron-Scale Optics）

这种微纳尺度的3D打印机可以用来做什么呢？实际上，它给科学家提供了一种强有力的手段，来设计和加工多种多样的微纳结构。

 图4 利用双光子直写技术加工的三维光子晶体

（WHAT COOL THINGS YOU CAN DO WITH DIRECT LASER WRITING (A.K.A 3D PRINTER)?）

图4科研中的一个例子，科学家利用双光子直写技术制作了三维的光子晶体。光子晶体（Photonic Crystal）是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，具有很多奇异的光学性质。但由于单元结构极其微小，加工起来非常困难。使用双光子直写则可以非常方便地加工出这种周期性排列的微纳结构。 

图5 利用双光子直写技术在光纤顶端加工的内窥镜

（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）

图5则是双光子直写技术应用在科研中的另一个例子。内窥镜技术为工业检测和医学诊断领域提供了极为强力的手段。大家最为熟悉的就是胃镜，医生将一束长长的光导纤维通过食道插入胃部，则可以观察胃部图像，从而直观判断出胃壁的状态，对检测黏膜损伤、内溃疡、胃出血等症状提供直接证据。2016年，科学家利用双光子直写技术在光纤顶端不到200微米的范围内加工了成像效果良好的透镜组，制成了目前世界上最小的内窥镜，如图6所示。此项工作笔者会在后续系列文章中详细介绍。

 图6 双光子直写技术加工的单透镜、双透镜和三透镜组的成像效果

a.光路设计图 b.成像效果仿真模拟图 c.单透镜、双透镜和三透镜组剖面电子显微镜图 d.实验得到的成像效果图

（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）

除了科研领域，该项技术越来越多的被利用在艺术领域。

 图7 模特三维建模过程（TRUST）

2014年，艺术家Jonty Hurwitz与Weitzmann Institute of Science的科学家合作，利用双光子直写技术制成了世界上最小的雕塑。他们首先通过三维扫描技术记录模特的三维空间信息，然后将此信息转化为空间坐标，导入到软件当中。然后他们利用双光子直写技术，在一根针上制作了该人体模特的雕塑，不出意外的话，这应该是世界上最小的人体雕塑：TRUST。

     图8 双光子激光直写技术制作的世界上最小的人体雕塑（TRUST）

其实利用双光子直写技术加工的微纳雕塑作品很多，例如图9就是利用该技术制作的泰姬陵模型。

图9 利用双光子直写技术制作的泰姬陵模型（TAJ）

当然了，虽然双光子激光直写技术在微纳尺度加工领域具有极大的优势，但并非全无缺点：用于双光子激光直写技术的光敏物质种类很有限；与胶片拍摄图像类似，而且这种光敏物质往往也需要显影和定影等过程，将打印的3D物体固定下来，因此加工过程更为繁琐；微纳尺度的加工耗时许久，因此难以利用它加工大尺度的产品。

 图10 典型的双光子直写仪基本配置（Nanoscribe）

而且从上文叙述中也可以看出，这项技术能够成功的关键很大程度上是纳米精度的移动台，因此运动模块极其精密且昂贵，更需要相应的检测和控制系统。图10是一台典型双光子直写仪的基本配置，从软件到硬件需要完美配合，所以往往造价不菲。

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