不可思议的微纳造物技术：很大程度改善粗糙度和精度

相信绝大多数人对“3D打印”这个概念并不会感到陌生，因为桌面级家用小型3D打印机早已走入了千家万户，也有众多的学校或机构购买了专业级3D打印机供学生或用户使用，以3D打印机为核心的教育课程也如雨后春笋般在各个大城市中出现。

从各个方面看，目前的3D打印都已经进入到了细分市场的阶段：从价格上来看，有较为便宜的家用桌面级小型3D打印机，也有较为昂贵的用于实际工业生产的大型工业级3D打印机；从打印用到的材料来看，有的是树脂、塑料，有的是金属，有的甚至用黏土。

以黏土为原材料的3D打印机

不过，由于通常的3D打印机都是基于“分层制造”的原理工作的，因此无论是桌面级还是工业级，3D打印的物体层的精度很受限，存在所谓的“台阶效应”，这使得3D打印机很难制造低粗糙度、高精度的器件，如各种光学元件、微纳尺度的结构器件等等。

今天要给大家介绍的技术则从另一个角度出发，很大程度上改善了粗糙度和精度的问题，它被称为双光子3D打印，准确地说应该称为“双光子激光直写技术”，也被称为“双光子聚合技术（Two-photon polymerization （2PP） technology）”。

要准确描述这项技术，首先要了解清楚什么叫做“双光子吸收效应”。

双光子吸收效应

物质可以对光产生吸收，这一点我们非常熟悉。有一些造物技术就是基于这一点，例如，用紫外光照射光敏聚合物，被照射到的地方逐渐产生固化，由液态、胶态转化为固态。这项技术的一个常见应用就是牙科诊所中用光敏物质填补牙齿。

绝大多数物质对光的吸收都是将一个光子作为基础单位进行吸收的，一次只能吸收一个光子。但是在有些特殊物质中，由于存在特殊的能级跃迁模式，也会出现同时吸收多个（几个甚至几十个）光子的情况，这就是“多光子吸收效应”。

但该效应的条件非常苛刻，往往要求特定的物质和极高的能量密度。双光子吸收效应是该类效应中的一种典型代表。在双光子吸收过程中，材料分子由基态跃迁至激发态，中间经过一个虚能级完成。

通常情况下，物质与光的相互作用是一种线性作用。常见的物体对特定波长的光透过率吸收率是一定的，这个比例并不会随着光强度变化而变化，因此这种作用是线性的。但是双光子吸收却是一种三阶非线性效应，即随着光能量密度的增加，该效应会快速加强。

线性和非线性吸收效应曲线示意图

借助于这种非线性的双光子吸收效应，科学家将微纳尺度的3D打印变成了现实。

只有当光强增强到一定值，才会出现较为明显的双光子吸收效应，利用这一点，我们可以通过将激光聚焦的方式，将反应区域局限在焦点附近极小的位置。并且通过精密移动台纳米量级的移动，使该焦点在光敏物质内移动，聚焦的微纳光斑经过的位置，光敏物质产生变性和固化，因此可以打印任意形状的3D物体。

使用这种方式打印的微纳物体最大的特点是精度高，理论精度可以达到100nm作用，这是传统3D打印方法难以企及的。

双光子激光直写技术原理示意图（https：//3dprintingindustry.com/news/77339-77339/）