全息圖有助于增強納米級3D打印

CHINESE UNIVERSITY OF HONG KONG

一項新的研究發現，使用全息圖（holograms），納米級3D打印機現在可以快速制造出細節小于可見光波長的復雜物品。這項研究可以快速制造由導線、透鏡、旋轉磁性齒輪和其他結構組成的納米技術陣列，從而在電子、光子學、微型機器人等領域得到應用。

目前，制造具有復雜形狀的納米級物體的最精確的3D打印技術可能是雙光子光刻（two-photon lithography）。這種方法依賴于只有當液體樹脂同時吸收兩個光子而不是一個光子時才會固化的液體樹脂。這使得能夠精確制造具有體素的物品，體素的3D等效像素尺寸只有幾十納米。

然而，雙光子光刻已經被證明對于大規模的實際應用來說過于緩慢和昂貴。這在很大程度上使其成為生產微觀原型的昂貴實驗室工具。

先前的研究試圖將雙光子光刻中使用的激光束分割成多個焦點，以加快制造速度。然而，這種策略通常能夠實現每秒僅約10000個體素和每小時小于0.1立方毫米的打印速度。此外，這種方法通常無法控制每個單獨激光器的焦點，因此無法產生高度可變的結構。

現在，一種新的雙光子光刻技術可以以每秒200萬體素和每小時4.5至54立方毫米的速度打印納米級3D物體。科學家們同時指出，它實現了高達90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中看到的最好的分辨率。此外，他們補充道，該團隊的新工藝可以同時操作多達2000個可單獨編程的激光焦點來制造復雜結構，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中最常見的。

研究高級作者、香港中文大學光學科學家和機械工程師Shih-Chi Chen表示：“產量的增加意味著成本大幅降低，該技術現在可以以更合理的價格和制造速度用于工業規模的應用。”

固化雙光子光刻中使用的樹脂需要極高的激光強度。使用多個激光焦點增加了所需的激光功率，并且通常用于雙光子光刻的激光器幾乎不能提供支持50個以上焦點所需的功率。相比之下，新方法使用了峰值功率約為10千兆瓦的近紅外激光器。

通常，雙光子光刻依賴于接收大約10000個低功率激光脈沖的焦點，以便完全固化體素。然而，這項新技術使用的激光發射速度比雙光子光刻中通常使用的激光慢幾十到數十萬倍。為了進行補償，新技術使用單個脈沖來固化每個體素。科學家們說，這需要對光敏樹脂進行大量的修補，以優化其印刷質量。

Chen說：“我們通過單脈沖曝光獲得了最佳分辨率，這與實現高分辨率的傳統方法完全相反，即低平均功率和長曝光時間。”

這種新方法每秒發射1000個100飛秒長的脈沖，將這些脈沖從顯示全息圖的數字微鏡設備上反彈。科學家們可以使用全息圖將每個激光脈沖劃分為多達2000個焦點，這些焦點具有單獨可控的強度、位置和相位，可以同時并行操作。

在實驗中，研究人員表明，他們的新方法可以制造復雜的微觀3D物體，如字母、數字、戒指、透鏡和類似打蛋器的結構。他們還制造了可以通過施加磁場遠程控制的磁性齒輪。

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在這項新的研究中，科學家們還透露，他們可以修改每個焦點的激光功率，以達到11個不同的強度水平。這種“灰度控制（gray-scale control）”可以用于調整每個體素的堅固性和機械財產。科學家們指出，這項新技術顯示出的灰度控制精度超過99%，是迄今為止并行雙光子光刻中最高的。

此外，研究人員報告稱，這種新方法在雙光子光刻中產生了迄今為止最高的能量效率。盡管其他技術需要大約1.5到4瓦的工作功率，但新方法只需要400毫瓦的平均功率就可以操作2000個焦點。

納米級3D打印的一個潛在應用是制造超結構材料，其結構具有重復圖案，其尺度小于其設計影響的任何力的波長。設計用于操縱電磁輻射的光學超結構可以以意想不到的方式彎曲光線，從而產生隱形斗篷和其他設備。

其面臨的最大挑戰之一是制造包含尺寸小于一微米但總體上是其子特征數千倍大的子特征的物體。在實驗中，科學家們透露，他們的新技術可以制造一個大約1立方毫米大小的網格，由68萬多個細胞組成，子特征小到700納米。

研究人員現在正在探索使用人工智能來利用他們的新技術生成最佳制造程序。Chen說，其目的是讓產品“具有更好的結構完整性、強度和一致性”。

3月27日，科學家們在《自然通訊》雜志上在線詳細介紹了他們的發現。