中国3D打印机网,专注中国3D打印机发展!
当前位置:主页 > 3D打印机 > 桌面级3D打印机 > 正文

纳米级的双光子3D打印技术,背后竟有这么多故事

时间:2019-02-18 11:58 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:
今天要讲的双光子“掏洞”技术,有3个“最”:

-最精细的“雕刻”技术:纳米牛

-与最伟大的物理学家密切相关:爱因斯坦

-类属最时髦的制造技术:3D打印

声明一点:此项技术并不是"在固体中掏出真空洞",而是“液体中掏出固体洞”。与题意可能有偏离,但此技术的核心思想应该是很适合此问题的。

先放上纳米牛。这头牛10微米长,7微米高,加工精度高达150纳米,已接近光的衍射极限。这是东京大阪大学的Kawata教授以及孙洪波教授在2001年研究成果,发表在Nature期刊上[1]。


『图片来源:文献[2]』


有人觉得不过瘾,于2014年在一根针上制作了世界上最小的人体雕塑。


『图片来源:文献[3]』


这就是传说中的“双光子3D打印”技术,也是唯一的“掏洞型3D打印技术”。

何出此言呢? 原来,绝大部分3D打印技术,本质上都是一种“2D堆叠技术”。它们之间的差别,不过是堆叠材料不同、成型原理不同而已。

以最著名的SLA光固化3D打印来说:

-基本原理:光敏树脂被激光点照射后,由液体变成固体;未被照射则保持为液体。

-2D绘画 :每次仅在“固液结合面”上成型,形成薄薄的一层图案。

-堆叠成型:画完第1层之后,再画第2层,循环往复……

那么,只要激光点足够小、层层之间的高度足够低,不就可以制作超高精度的雕塑了吗?又干嘛非要用“掏洞型”的双光子3D打印技术呢?

其实工程上的情况,一般都要比理论复杂。就举一个最显而易见的工程问题,SLA打印技术,在“固液结合面”上打印过程中和Z轴移动过程中,免不了要产生微小的涟漪。

这些涟漪很细微,几乎观察不到。之所以不影响SLA打印,是因为SLA的打印精度一般在0.1毫米左右,也就是100微米或者100000纳米,离纳米级的精度还差成千上万倍啊!

所以,我们决定放弃“固液结合面”成型。换个思路,直接在液体内部掏出固体如何?

这就是所谓的“掏洞型”3D打印技术。

穿透液体去“掏洞”,没那么容易

在液体中的掏洞原理,说起来简单,但又不简单。



为什么说起来简单呢?因为它的基本思路太常见了:利用弱光穿透表面液体,在一点处汇集成强光实现固化。

不好意思放错图了,应该是下面这张图:



这就是简单的凸透镜/凹面镜聚光原理:每一束弱光强度都不够,但在焦点处会产生强大的效应。这东西还超便宜,淘宝上几十块钱一个。

早在几千年前,阿基米德还利用这一原理以弱胜强呢,就像咱们小时候用放大镜来烧死蚂蚁一样。


『阿基米德的故事』


这个原理是不是太简单了?放在几千年前,这称之为大智慧,我是信的。但要说这与爱因斯坦有关,那不是开玩笑吗?

但实际上,“掏洞型”的双光子3D打印一点也不简单! 它与量子理论的发展相依共舞、前前后后花了100多年才能实现。究竟是怎么回事?



原来,激光束在聚焦的同时,也在被沿途的液体吸收。

聚焦效应:越深越强。

吸引效应:越深越弱。

变强与变弱两种效应针锋相对,当矛与盾相遇,熟强熟弱呢?还是来算一下吧:

聚焦效应就是一个几何方程,按平方反比增强:



公式不直观,定性地做个图看看,可以发现:负指数的吸收效应太强了(红色线),才不到2%的深度就完全主宰了平方反比的聚焦效应(蓝色线)。最终效果是:两种效应下,越深光强越弱,完全达不到“掏洞”的目的。

注:I(x)并非是单调递减函数。公式中有介质参数α、焦距参数f等。若任意选择参数,也是有可能实现聚焦效果的,但在现实世界中并不存在这样的参数。



光电效应与单光子吸收

遇到了难题,解决思路只有两个:要么增强聚焦效应、要么削弱吸收效应。

增强聚焦效应是不可能的,无论怎么改透镜的形式,因为我们生活的是三维世界中,总是逃不过平方反比这一规律。

退一万步,即使我们生活在四维、五维、十一维世界又如何? 再高阶的多项式,求导一次就降一阶。而负指数多牛逼,求导之后还是它自己。

那么再来看看吸收效应:

朗伯一比尔定律是1729年发现的。这只是从现象“总结”出的规律,还无法给出明确的形成机理,更谈不上去改变规律了。

一百多年以后,赫兹于1887年发现了光电效应。后来人们发现,光电效应由多个过程组成,其中“光子吸收过程”与SLA打印的“光子吸收过程”在规律上是相似的。但是他并没有成功地解释这一现象。

我们经常讨论CPU主频是多少赫兹的,就是以这个人命名的单位。


『海因里希·鲁道夫·赫兹』


1905年,爱因斯坦在他的奇迹年,发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,对于光电效应给出另外一种解释,将光解释为一种粒子,而不是波。


『阿尔伯特·爱因斯坦』


那时候主流物理界的思想,还未从麦克斯韦的电磁世界中走出来,爱因斯坦的正确解释却遭到学术界强烈的抗拒,直到1921年才被颁发诺贝尔奖。

光电效应的正确解释,推动了量子理论迅速成熟。有了量子理论的武器,人们才能从第一性原理的角度,推导出“单光子吸收”的朗伯一比尔定律(此处待考)。




光电效应:电子一次吸收一个光子,从基态跃迁到激发态

从理论推导发现,只要是“单光子吸收”,就逃不过朗伯一比尔定律的束缚。然而,爱因斯坦的光电效应恰恰是指出:

若光的频率高(例如紫外线),光子能量高,金属的自由电子吸收光子后,就有足够的能量逃逸,就可以观测到光电效应。

若光的频率低(例如紫外线),光子能量低,金属的自由电子吸收光子后,能量不足矣逃逸,则观测不到光电效应。即便光强再高,光子数量再多,也是观测不到,因为电子一次只能吸收一个光子。“能量不够、数量来凑”的想法是行不通的。

如果我们生活在三维世界中,就逃不过聚焦效应的平方反比规律。

如果我们的世界遵循量子理论,就逃不过单光子吸收的朗伯一比尔定律。

如此看来,“掏洞型”3D打印看来是没希望了吧?

双光子吸收

正当一筹莫展之时,一位德国女博士Maria Goeppert-Mayer也许是为了正常毕业,从纯理论的角度推导出了她的博士论文:“在特定条件下,双光子吸收是可能发生的!”


『发现双光子吸收理论的Maria Goeppert-Mayer』



她的理论主要是讲:正常情况下,电子一次只能吸收一个光子,要从基态(Ground state)跳到激发态(Excited state)。

就像是跳高一样,他只能跳一次,力量大就跳出去了,力量小就跳不过去,因为世界上没有人会二段跳啊!

她继续说,但是依据量子理论推导,如果光足够强,强到闪瞎你的眼;时间足够短,短到你根本看不见,就可以凭空产生一个虚拟态(Virtual state),帮助他实现二段跳!

你要问,二段跳不合情理啊,反正眼都闪瞎了时间也短,看不见就装不知道吧。


『二段跳的双光子吸收』


所谓的“特定条件”需要多强的光呢?强到在当时的理论框架下,人类根本实现不了!

如果我是在场的答辩博导,我肯定会问一个问题:“So,您的博士论文就是发现了一个无法验证的现象?”

好在我并不在场,当时的真正博导们水平也不错,检查了一下推导没问题,也就授予她博士学位了。

直到1961年,在Maria Goeppert-Mayer从青春少女行将暮年的时候,在人类开始应用激光的时候,她的理论才被实验验证。


『暮年Maria Goeppert-Mayer』


物理就是这么残酷,人的生命在她面前微不足道。

但物理又是那么温暖,她让Maria Goeppert-Mayer从芸芸众生中脱颖而出,给平凡的一生赋予了不平凡的意义!

用双光子吸收来“掏洞”

双光子吸收有什么意义呢?它的意义就在于,可以突破朗伯一比尔定律(Lambert-Beer law)的束缚,将吸收效应从负指数规律削弱为倒数规律:



公式不直观,定性地做个图看看,可以发现:倒数规律的吸收效应比负指数要小很多(红色线),根本不是聚焦效应的对手(蓝色线)。

所以二者叠加的最终结果是:光强先下降,然后迅速上升,很快聚焦效应就主宰了吸收效应。


『双光子吸收 注意:与单光子吸收的横坐标轴标度不同』


如此一来,就可以利用双光子吸收效应来“掏洞”了!直到2001年,文首提到的Kawata教授以及孙洪波教授的纳米牛,才将梦想变成了现实。此时,贡献理论的赫兹、爱因斯坦、Maria Goeppert-Mayer早已过世了!

让我们再缕一下时间线,这是一段工程、实验与理论交织推动的历史:

· 1729年,朗伯一比尔定律。

· 1887年,赫兹发现光电效应。

· 1905年,爱因斯坦从量子的观点,正确解释光电效应。

· 1921年,爱因斯坦获诺贝尔奖,他的贡献推动了量子理论的成熟。依据量子理论,单光子吸收必须遵循朗伯一比尔定律。

· 1931年,Maria Goeppert-Mayer纯从量子理论推导出“双光子吸收”的可能性。

· 1961年,在激光应用之后,双光子吸收理论得到实验验证。此后,非线性光学与量子光学蓬勃发展。

· 2001年,Kawata教授以及孙洪波教授利用双光子吸收效应,成功实现了“双光子3D打印”,也是唯一一种“掏洞型”3D打印。

双光子3D打印技术的现状

例如,用双光子3D打印技术制作的超微透镜,直径只有100微米左右。这也是Nature上的一篇论文(Nature上的东西都好有意思啊!)


『图片来源:文献[4]』


这种镜片,是别的技术完全做不了的。我本人也做过SLA打印的镜片,透镜效果还不错,但直径最小也得6毫米,也就是6000微米,比双光子打印精度低了60倍!


『单光子吸收的SLA打印,直径6000微米』


除了这种实用价值比较强的,也有比较好玩的,比如下面有人打印了一个最小的泰姬陵:



这个领域领先的都是发达国家。国内也有一家新锐的3D打印公司,做得也不错。为了避免广告嫌疑,就不说名字了。

总结

本人虽从事3D打印行业,但是学机电工程出身,所以对于非线性光学、量子光学、光聚合反应等领域缺乏基础知识。因此文中知识大部分是自学,可能有科学上的错误,若您发现,不吝赐教,感激不尽!

最后,成文过程中受 @看风景的蜗牛君 指教颇多,表示特别的感谢!

(责任编辑:中国3D打印机网)