Лазерный мир

Китайский университет Гонконга (CUHK)

Рисунок. FP-TPL основан на пространственной и временной фокусировке.

Технология сверхточной 3-D печати является ключевым фактором для производства прецизионных биомедицинских и фотонных устройств. Однако существующая технология печати ограничена ее низкой эффективностью и высокой стоимостью. Профессор Ши-Чи Чен и его команда от кафедры машиностроения и автоматизации Китайского университета Гонконга (CUHK) в сотрудничестве с Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса разработали технологию печати двухфотонной литографии с фемтосекундным излучением (FP-TPL).

Управляя лазерным спектром посредством временной фокусировки, процесс лазерной трехмерной печати выполняется параллельным послойным способом вместо точечной записи. Эта новая технология существенно увеличивает скорость печати в 1000–10 000 раз и снижает стоимость на 98 процентов. Это достижение было недавно опубликовано в Science, подтверждая его технологический прорыв, который выводит наноразмерную трехмерную печать в новую эру.

Традиционная технология наноразмерной трехмерной печати, то есть двухфотонная полимеризация (TPP), работает в режиме точечного сканирования. Таким образом, для изготовления даже объекта сантиметрового размера может потребоваться от нескольких дней до недель (скорость создания ~ 0,1 мм3 / час). Процесс трудоемкий и дорогой, что препятствует практическому и промышленному применению. Чтобы увеличить скорость, разрешение готового продукта часто приносится в жертву. Профессор Чен и его команда преодолели сложную проблему, используя концепцию временной фокусировки, когда программируемый фемтосекундный световой слой формируется в фокальной плоскости для параллельного нановоздействия; это эквивалентно одновременному проецированию миллионов лазерных фокусов на фокальную плоскость, заменяя традиционный метод фокусировки и сканирования лазера только в одной точке. Другими словами, технология FP-TPL может изготовить целую плоскость за время, в течение которого система сканирования точек создает точку.

Рис. 1. Печать сложных трехмерных структур с субмикронным разрешением через FP-TPL. (От A до C)

Структура в миллиметровом масштабе с элементами субмикрометрического размера, поддерживаемыми на центе США поверх отражающей поверхности. За 8 минут 20 с был напечатан кубоид 2,20 мм × 2,20 мм × 0,25 мм, демонстрируя скорость 3D-печати 8,7 мм3 / час. Напротив, методы точечного сканирования потребовали бы нескольких часов, чтобы напечатать этот кубоид. (D) 3D-микропланшет, напечатанный посредством укладки 2D-слоев, демонстрирующий однородность печати, которая неотличима от таковой в коммерческих системах серийного сканирования. (E и F) Спиральные структуры, напечатанные посредством проекции одного слоя, демонстрирующие способность быстро печатать криволинейные структуры в пределах однозначных миллисекундных временных масштабов без какого-либо движения подвижек. (От G до J) Выступающие 3D-структуры, напечатанные путем сшивания нескольких 2D-проекций, демонстрирующие способность печатать объекты с разрешением по глубине. Мостовая структура в (G) с углами наклона 90 ° затрудняет печать с использованием методов TPL с точечным сканированием или любого другого метода из-за его большого наклона относительно размера наименьшего элемента и разрешения субмикронного элемента. Предоставлено: Китайский университет Гонконга (CUHK).

Рис. 2. Печатные нанопроволоки, демонстрирующие наноразмерное разрешение FP-TPL. (A) Ширина (вдоль бокового направления) и (B) высота (вдоль осевого направления) подвешенных нанопроволок, напечатанных при различных условиях.

Ширина линий в проецируемом шаблоне DMD варьировалась от 3 до 6 пикселей с фиксированным периодом 30 пикселей. Каждый пиксель (px) отображается на 151 нм в проецируемом изображении. Метки HP, MP и LP относятся к высокому (42 нВт / пикс), среднему (39 нВт / пикс) и низкому (35 нВт / пикс) уровням мощности соответственно. Все маркеры определенной формы представляют точки данных, созданные на одном уровне мощности, а все маркеры определенного цвета представляют одинаковую ширину линии. Печать выполнялась с помощью фемтосекундного лазера с центральной длиной волны 800 нм и номинальной шириной импульса 35 фс и объективом с числовой апертурой 60 × 1,25. (C и D) Сканирование электронным микроскопом изображений подвешенной нанопроволоки. Предоставлено: Китайский университет Гонконга (CUHK).

Что делает FP-TPL прорывной технологией, так это то, что она не только значительно улучшает скорость (приблизительно 10–100 мм3 / час), но также улучшает разрешение (~ 140 нм / 175 нм в боковом и осевом направлениях) и снижает стоимость (US $ 1,5 / мм3). Профессор Чен отметил, что типичное оборудование в системе TPP включает в себя фемтосекундный лазерный источник и устройства сканирования лучом, например, цифровое микрозеркальное устройство (DMD, digital micromirror device). Поскольку основной ценой системы TPP является лазерный источник с типичным сроком службы ~ 20 000 часов, сокращение времени изготовления с дней до минут может значительно продлить срок службы лазера и косвенно снизить среднюю стоимость печати с 88 долл. США / мм3 до 1,5 долл. США. / мм3 — сокращение на 98 процентов.

Из-за медленного процесса сканирования точек и отсутствия возможности печатать опорные конструкции, традиционные системы TPP не могут изготовить большие сложные и нависающие структуры. Технология FP-TPL преодолела это ограничение благодаря своей высокой скорости печати, то есть частично полимеризованные части быстро соединяются, прежде чем они могут сместиться в жидкой смоле, что позволяет изготавливать крупномасштабные сложные и нависающие структуры, как показано на Рисунке 1 (G). Профессор Чен сказал, что технология FP-TPL может принести пользу многим областям; например, нанотехнологии, современные функциональные материалы, микро-робототехника и медицинские устройства и устройства доставки лекарств. Благодаря значительному увеличению скорости и снижению затрат технология FP-TPL потенциально может быть коммерциализирована и широко применяться в различных областях в будущем, производя от мезо- до крупномасштабные устройства.

Источник: https://phys.org/news/2019-12-technique-d.html