[論文レビュー] Centimeter-scale superfine three-dimensional printing with femtosecond laser two-photon polymerization

Wei Chu, Yuanxin Tan+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2017

Nonlinear Optical Materials Studies参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、高 numerical aperture (NA) レンズの短い作業距離による従来の2光子重合（TPP）のミリメートルスケールのサイズ制限を克服し、フェムト秒レーザー2光子重合（TPP）を用いてセンチメートルスケール、超高精細3次元造形を可能にする同時空間的・時間的焦点化（SSTF）技術を提示している。レーザー出力を調整することにより、空間的分解能を約10 μmから約40 μmにまで連続的に調整可能であり、1.3 cmの高さのチベット土人形戦士や0.6 cmの中国の守護獅子像といった複雑な3次元構造物の高分解能造形を実現している。

ABSTRACT

Nowadays three-dimensional (3D) printing has been widely used for producing geometrically complex 3D structures from a broad range of materials such as ceramics, metals, polymers, semiconductors, etc. Although it has been demonstrated that a fabrication resolution as high as ~100 nm can be achieved in 3D printing based on two photon polymerization (TPP), the end product size of TPP is typically on millimeter scale limited by the short working distance of high-numerical-aperture focal lens. Here we present a method based on simultaneous spatiotemporal focusing (SSTF) of the femtosecond laser pulses that enables to fabricate centimeter-scale 3D structures of fine features with TPP. We also demonstrate an isotropic spatial resolution which can be continuously tuned in the range of ~10 um and ~40 um by only varying the power of femtosecond laser, making this technique extremely flexible and easy to implement. We fabricate several Chinese guardian lions of a maximum height of 0.6 cm and a Terra Cotta Warrior of a height of 1.3 cm using this method.

研究の動機と目的

• 高 NA レンズの短い作業距離に起因する従来の2光子重合（TPP）のミリメートルスケールのサイズ制限を克服すること。
• TPPを用いてセンチメートルスケールの3次元構造物に超高精細な特徴を付加可能なようにすること。
• 単なるレーザー出力調整によって、広範囲にわたる空間的分解能の連続的チューニングを実現すること。
• 文化的な遺物のような複雑な大規模マイクロ構造物の実用的応用を示すこと。

提案手法

• フェムト秒レーザーパルスの同時空間的・時間的焦点化（SSTF）を用いて、焦点深度を拡張しつつも高い空間的分解能を維持する。
• SSTFは、時間的および空間的ドメインでレーザービームを整形することで、広い体積にわたって均一な励起を可能にする。
• 従来の設定よりも長い作業距離を持つ高数値孔径（NA）のオプティカルレンズを用いることで、大規模な造形が可能になる。
• レーザー出力を変更することで、有効分解能を約10 μmから約40 μmにまで調整可能であり、光学部品の交換なしに柔軟性を提供する。
• 標準的なTPP材料と互換性があり、3次元空間において連続的かつ等方的（アイソトロープ）な分解能制御が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2光子重合は、100 nm未満の分解能を維持したまま、センチメートルスケールの3次元構造物を造形可能か？
• RQ2 レーザー出力変調のみを用いて、TPPの空間的分解能を広範囲にわたって連続的にチューニング可能か？
• RQ3 SSTFは、高分解能の3次元造形を維持しつつ、作業深度を効果的に拡張できるか？
• RQ4 本手法を用いて、細かな特徴を持つ複雑な大規模マイクロ構造物を実際に造形可能か？

主な発見

• 2光子重合を用いて、細かな構造的特徴を持つ1.3 cmの高さのチベット土人形戦士が成功裏に造形された。
• 0.6 cmの高さの中国の守護獅子像が造形され、複雑な大規模マイクロ構造物の実現可能性が示された。
• フェムト秒レーザー出力の調整のみで、空間的分解能が約10 μmから約40 μmにまで連続的にチューニング可能であった。
• SSTFによって有効作業距離を拡張することで、従来のTPPのミリメートルスケールのサイズ制限を克服した。
• センチメートルスケールの体積にわたり、高い分解能を維持したまま、従来の制限を超えた複雑な3次元造形が可能になった。