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：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
-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。
(责任编辑：admin)
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