來源：轉自： LFWC雜志 ACT激光聚匯

飛秒激光打印分辨率小于衍射極限的光學元件

 

      作為21世紀的一種賦能技術，3D打印不依賴于復雜且昂貴的傳統(tǒng)工具加工，具有一步成型的加工特點，在快速成型與制造領域越來越受歡迎。3D打印不僅能對加工原型實現(xiàn)快速評估，并且在中-低規(guī)模的生產(chǎn)中，其生產(chǎn)效率也高于傳統(tǒng)制造方式。在多數(shù)情況下，與傳統(tǒng)的組裝件相比，3D打印的部件重量更輕，整體機械穩(wěn)定性更好。盡管3D打印的零部件已經(jīng)獲得了許多應用，但是由于加工精度低和缺乏合適的材料，打印具有光學功能的元器件仍然無法實現(xiàn)。

 

      然而，飛秒激光誘導的雙光子吸收，能夠實現(xiàn)亞微米級的打印分辨率，從而可以實現(xiàn)真正的高精度3D打印。[1]飛秒激光3D打印，是將激光束聚焦到盛有液體膠的特殊玻璃或高分子容器中。由于雙光子或多光子吸收，液體膠僅在激光焦點區(qū)域被光固化，以此實現(xiàn)高精度3D打印。目前，多多數(shù)的3D打印使用的是逐層打印技術，與此相比，飛秒激光高精度3D打印技術，在固體材料內(nèi)部和表面都有一樣的打印效果，因此不僅可以實現(xiàn)增材制造，也可以實現(xiàn)減材制造。  

 

 

 

      圖1：高精度3D打印對構件的尺寸、復雜度、形狀及襯底都具備很高的加工自由度。打印的結構如電鏡圖所示：（a）任意排列的亞微米結構；（b）具有確定角度的微米級錐形光導結構；（c）由1毫米鏡頭組裝而成的宏觀結構；（d）一步成型的微透鏡堆疊結構（圖中的構件被部分剪切掉，以展示打印構件的不同局部）；（e）1cm×1cm鏡頭陣列，用于復刻制作的母版；（f）用于光束整形的圓柱形微透鏡，該微透鏡直接打印在分布式反饋激光器激光發(fā)射端面上（圖中的分布式反饋激光器來自nanoplus公司）。

 

高精度3D打印將微納米制造和傳統(tǒng)制造有機地連接起來，其打印的分辨率小于衍射極限，打印的元器件的尺寸可以從亞微米擴展到厘米范圍。高精度3D打印技術能夠制造高寬比高達43:1的結構，并且通過控制焦點移動實現(xiàn)快速制造，因而能夠打印出傳統(tǒng)方法無法制造的超高質量的微光學、微流體及其他功能部件。

 

分辨率和可擴展性

高精度3D打技術于1997年被首次報道。[2]隨著國際上多個學術研究小組進入該領域研究，高精度3D打印技術一直處于穩(wěn)步推進發(fā)展中。目前高精度3D打印技術已經(jīng)發(fā)展到可以適用于工業(yè)應用的水平。由于雙光子吸收效應僅限于達到光聚合閾值的激光焦點區(qū)域，并且雙光子吸收的概率正比于激光功率的二次方，因此最小的打印尺寸可低于衍射極限，達到百納米的精度。[3]這種打印的最小尺寸又叫做體元，就是這些一個個小的體元，最終構成了宏觀的功能部件。通過調(diào)節(jié)激光功率、光路中的聚焦光學元件、制造方法及加工原料，可以實時調(diào)整最小打印尺寸的大小。

 

用于高精度3D打印的激光直寫技術，由于其高效的產(chǎn)出，不依賴掩模的數(shù)字化數(shù)據(jù)預處理，無論對構件的尺寸、復雜度、結構化的區(qū)域及襯底都具備很高的加工自由度（見圖1）。圖1（a）-（c）展示了3D打印結構在尺寸上的可伸縮性，如圖1a是任意排列的亞微米結構，圖1b是微米級的圖形，圖1c則是將直徑1mm的透鏡集成到一個具有校準功能盒體中形成的一個宏觀結構。

 

高精度3D打印是一種真正意義上的3D制造。如圖1d這種復雜的堆疊微透鏡組，只需要一步成型，而傳統(tǒng)的方法是將一個個光學元件相互對齊排列起來搭建透鏡組結構。這種堆疊的微透鏡組結構在醫(yī)學上可以用作內(nèi)窺鏡，傳統(tǒng)的搭建方法很容易造成內(nèi)窺鏡的透鏡組結構在使用中失靈。

 

大規(guī)模生產(chǎn)的前提是能夠實現(xiàn)大面積制造。通過實施精密制造方法，[4]高精度3D打印可以制造出用于紫外納米光刻的晶圓級光學元件，如透鏡陣列（如圖1e，為1cm×1cm的透鏡組），或者制造用于諸如注塑、熱壓等其他大規(guī)模生產(chǎn)的復制模具。

 

此外，通過合適的設計，高精度3D打印可以實現(xiàn)直接大規(guī)模生產(chǎn)制造。與其他3D打印技術不同，高精度3D打印不是逐層打印，因此不涉及材料的去除步驟，所以也就不受基板的限制。如圖1f，用于光束整形的微透鏡直接打印在分布式反饋激光器發(fā)射端面上（激光器來自nanoplus公司），用來補償由于快慢軸傳播引起的橢圓光束。

 

盡管用傳統(tǒng)的微距鏡頭也可以把畸變的光束整形成球面波，但是高精度3D打印可以在諸如波導、光纖、探測器等任何主動或被動元器件的端面打印需要的器件，因而為設計新的小型化器件及產(chǎn)品封裝提供了很高的自由度。此外，也可以打印合束器之類的器件，將多個波長的光束合并輸出，其在片上實驗室（lab-on-chip）上可以得到很好的應用。

 

 

圖2：高精度3D打印成型的高寬比在2:1到43:1范圍的結構。高精度3D打印技術可以打印出高度從毫米到厘米范圍的結構，能實現(xiàn)更大的高寬比。

 

大高寬比結構

大高寬比結構特別適用于三維微機電系統(tǒng)。微機電結構一般通過LIGA（LIGA是德文Lithographie、Galvanoformung和Abformung三個詞，即光刻、電鑄和注塑的縮寫）工藝實現(xiàn)，主要用到SU-8光刻膠和鉻掩膜板。LIGA工藝包括好幾個工藝流程，其中最有挑戰(zhàn)性的步驟就是在基板上均勻地涂上幾百微米厚的光刻膠。例如，最小打印寬度為1μm時，在基板上涂100μm厚的光刻膠，就可以實現(xiàn)100:1的高寬比結構。然而，構件高度越高，需要涂覆的光刻膠就越厚，制造難度就越大。

 

與LIGA工藝相比，高精度3D打印是將激光束聚焦到液體光刻膠中。液體光刻膠盛在容器中，容器的深度范圍在從毫米量級到厘米量級。當激光束由上而下聚焦到光刻膠中時，容器深度由顯微鏡物鏡的工作距離決定；當激光束由下而上聚焦到光刻膠中時，容器深度則由運動軸的行程決定。高精度3D打印的這種工作方式，可以很容易地打印出高度為厘米量級的構件。當打印高度大于100μm的大高寬比構件時，還需要考慮另一個因素——光刻膠的穩(wěn)定性。高精度3D打印通常使用的是液態(tài)光刻膠，如ORMOCERs。ORMOCERs是一種無機-有機混合的聚合物，具有玻璃般的透光性和硬度。

 

高精度3D打印可以打印出高寬比為1:1或2:1的波導結構，也可以打印出高寬比為16:1的墻壁結構（見圖2）。這種墻壁結構寬5μm，高80μm，是通過無限視場（Infinite Field of View，IFOV）模式加工而成。無限視場是一種智能運動控制技術，它通過控制掃描振鏡和位移平臺實現(xiàn)激光焦點的同步偏轉。無限視場這種加工模式，使得打印尺寸大于物鏡視場范圍的元件成為可能。圖2給出的高寬比為16:1的例子中，打印的墻壁結構的長度就是物鏡視場的4倍。當然，也可以打印高寬比為20:1的結構，如圖2所示的針狀結構。這種針狀結構高100μm，底座5μm×5μm，可以將外部光源導入到活體標本中，用于活體細胞的光激發(fā)研究。這種針狀結構也可以作為原子力顯微鏡的懸臂，用于評估特殊的形貌結構。

 

除了以上幾種結構，還可以打印等值曲面結構。等值曲面的打印，先用激光固化光刻膠，形成一個封閉的殼體結構，然后沖洗掉未曝光的光刻膠。顯影之后，用紫外燈曝光殼體內(nèi)部的光刻膠，使殼體與內(nèi)部形成均勻連接。用這種方法打印微透鏡組，每個透鏡的加工時間只需1~5s，[5]其打印效率比傳統(tǒng)加工方法提升了95%。

 

圖2中右上方給出的是3D打印的高寬比為43:1的柱面結構，該柱面高1.7mm，直徑2mm。該柱面結構也是通過無限視場模式打印的，柱面的圓周結構由線性位移平臺和激光焦點的徑向偏轉配合形成的圓周運動打印而成，這種打印方法也叫做軌道光束操控。為了展示柱面結構的壁厚為0.04mm，所以沒有打印柱面結構上面的蓋子。打印這種類似結構的效率為3.6mm3/h，當然也可以通過光束整形工具將光束分束，或者整形成平頂光束來進一步提高打印效率。

 

值得注意的是，圖2中給出的微結構只是用來展示大高寬比結構的幾個例證，并不是極限案例。圖中顯示的高寬比43:1，也不是極限值。通過優(yōu)化設計，可以打印更大的高寬比結構，寬度尺寸甚至能縮小到亞微米量級。

 

結論

高精度3D打印由于打印精度高，對打印的尺寸、復雜度、形狀及襯底具備良好的加工自由度，將越來越多地用于工業(yè)應用中。高精度3D打印的分辨率小于衍射極限，打印的元器件尺寸可以從亞微米擴展到厘米范圍，因此微光學應用中的光學質量表面結構的3D打印，將是主要應用。高精度3D打印技術能夠制造出高寬比達43:1的結構，并且能夠通過控制焦點移動實現(xiàn)快速制造，因而能夠打印出超高質量的微光學、微流體及其他功能部件。這樣一種先進的加工方式，其加工能力是傳統(tǒng)加工方法所無法企及的。