基于时空聚焦的飞秒投影双光子光刻（FP-TPL）技术。 （图片来源：香港中文大学）
超精密3D打印技术是制造精密生物医学和光子器件的关键技术。然而，现有的印刷技术效率低，成本高。香港中文大学(CUHK)机械及自动化工程学系陈士祈教授及其团队与劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作，研发了飞秒投影双光子光刻(FP-TPL)印刷技术。
通过聚焦时间控制激光光谱，激光3D打印过程得以逐层并行方式进行，而不是逐点写入。这项新技术将打印速度大幅提升至1000-10000倍，降低了98%的成本。这项成果最近被登载于《科学》(Science)杂志，肯定了其技术突破，这将纳米级3D打印带入了一个新时代。
传统的纳米级3D打印技术，即，双光子聚合(TPP)，以逐点扫描方式运作。因此，即使是厘米大小的物体也可能需要几天到几周的时间来制作(构建速率大约0.1mm3/h)。这个过程既耗时又昂贵，阻碍了实际应用和工业应用。为了提高速度，常常以牺牲成品的分辨率作为代价。但是，陈教授和他的团队利用时间聚焦的概念克服了这一难题，在焦平面形成可编程的飞秒光片，可以进行平行纳米写入，这相当于在焦平面上同时投射数百万个激光焦点，取代了仅在一个点聚焦和扫描激光的传统方法。换句话说，FP-TPL技术可以在点扫描系统制造一个点的时间内建造出整个平面。
通过FP-TPL以亚微米分辨率打印复杂三维结构。(A至C)具有亚微米特征的毫米级结构，以一枚美分硬币的反射表面顶部作为支撑。在8min20s的时候，机器打印出了2.20mm×2.20mm×0.25mm长方体，3D打印速度为8.7mm3/h。相比之下，点扫描技术需要几个小时来打印这个长方体。(D) 通过堆叠2D层打印3D微柱，显示出该技术与商业串行扫描系统无法区分的打印一致性。(E和F)通过单层投影打印的螺旋结构，显示了该技术在没有任何平台运动的情况下，依旧能以个位数毫秒的时间范围内快速打印曲线结构的能力。(G到J)通过拼接多个2D投影来打印悬垂的3D结构，展示了该技术能打印深度分辨特征的能力。(G)中具有90°悬垂角的桥结构，由于其相对于最小特征尺寸和亚微米特征分辨率而言悬垂角较大，因此使用点扫描TPL技术或任何其他技术进行打印都具有挑战性。 （图片来源：香港中文大学）
印刷纳米线展示了FP-TPL的纳米级分辨率。在不同条件下打印的悬浮纳米线的（A）宽度(沿横向)和（B）高度(沿轴向)。在投影DMD图案中，线条的宽度从3像素到6像素不等，固定周期为30像素。每个像素(px)映射到投影图像中都是151nm。HP、MP和LP分别指高功率(42nW/px)、中功率(39 nW/px)和低功率(35nW/px)。特定形状的所有标记表示以相同的功率级别生成的数据点，特定颜色的所有标记表示相同的线宽。打印使用的飞秒激光的中心波长为800nm，标称脉冲宽度为35fs，使用的是60×1.25数值孔径物镜。(C和D)悬浮纳米线特征的扫描电子显微镜图像。 （图片来源：香港中文大学）
FP-TPL技术之所以成为一项颠覆性技术，是因为它不仅极大地提高了速度(大约10-100mm3/h)，而且还提高了分辨率(横向和轴向约140nm/175nm)，降低了成本(1.5美元/mm3)。陈教授指出，TPP系统的典型硬件包括飞秒激光光源和光扫描装置，如数字微镜装置(DMD)。由于TPP系统的主要成本是激光光源，其典型寿命约为20000小时，因此将制造时间从几天减少到几分钟，可以大大延长激光寿命，并间接将平均打印成本从88美元/mm3降低到1.5美元/mm3，降低了98%。
由于点扫描速度慢，缺乏打印支撑结构的能力，传统的TPP系统无法制造大型复杂悬垂结构。FP-TPL技术通过其高打印速度，即，部分聚合后的零件在液体树脂中漂移之前迅速连接，从而可以制造大型复杂悬垂结构，如图2 (G)所示。陈教授表示，FP-TPL技术可以造福很多领域;例如，纳米技术、先进功能材料、微型机器人、医疗和药物输送设备。由于FP-TPL技术显著提高了速度并降低了成本，因此它在将来很有可能被商业化并广泛应用于各个领域，从而制造出中大型设备。
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：香港中文大学（CUHK）
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