[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种同步时空聚焦（SSTF）技术，利用飞秒激光双光子聚合（TPP）实现了厘米级、超精细的三维打印，突破了传统毫米级尺寸限制。通过调节激光功率，该方法实现了从约10 μm到约40 μm的各向同性空间分辨率，可实现复杂三维结构的高分辨率制造，例如1.3 cm高的兵马俑和0.6 cm高的中国守卫狮子。

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.

研究动机与目标

• 克服由于高数值孔径物镜工作距离短而导致的传统双光子聚合（TPP）在毫米尺度上的尺寸限制。
• 实现使用TPP制造厘米级三维结构并具备超精细特征。
• 仅通过简单的激光功率调节，实现宽范围内的各向同性空间分辨率可调。
• 通过制造如文化遗产等复杂的大尺度微结构，展示该方法的实际应用可行性。

提出的方法

• 该方法通过同步对飞秒激光脉冲进行时空聚焦，扩展焦深的同时保持高空间分辨率。
• SSTF通过在时间和空间域同时调控激光光束，实现在大体积范围内的均匀激发。
• 该技术采用数值孔径较高的物镜，其工作距离长于传统设置，从而支持更大规模的打印。
• 通过调节激光功率，可将有效分辨率从约10 μm调节至约40 μm，无需更换光学元件。
• 该工艺与标准TPP材料兼容，并可在三维空间中实现连续、各向同性的分辨率控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 双光子聚合能否实现厘米级三维结构的制造，同时保持亚100 nm分辨率？
• RQ2 仅通过激光功率调制，能否在宽范围内连续调节TPP的空间分辨率？
• RQ3 SSTF能否有效扩展工作深度，同时保持三维高分辨率制造？
• RQ4 该方法是否可行用于制造具有精细特征的复杂大尺度微结构？

主要发现

• 该方法成功利用双光子聚合制造出高度达1.3 cm的兵马俑，具有精细的结构细节。
• 成功制造出高度为0.6 cm的中国守卫狮子，展示了制造复杂大尺度微结构的能力。
• 仅通过调节飞秒激光功率，即可实现从约10 μm到约40 μm的各向同性空间分辨率连续可调。
• 通过SSTF技术扩展有效工作距离，成功突破了传统TPP的毫米级尺寸限制。
• 该制造过程在厘米级体积内保持了高分辨率，实现了超越以往限制的复杂3D打印。