连续波二极管可以缩小 3D 激光打印的尺寸和成本

    德国卡尔斯鲁厄，—紧凑型桌面打印机可能很快会取代大型、昂贵的激光打印机，用于打印 3D 微米和纳米结构。卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）和海德堡大学的研究人员发明了一种两步3D打印工艺，可与蓝色激光二极管配合使用，并可在小型廉价打印机上实现。

    脉冲激光系统已用于 3D 打印，因为它们支持双光子吸收——即同时吸收两个光子以将分子从一种状态激发到更高能量的状态。双光子吸收触发化学反应，将材料硬化成 3D 打印结构。复杂的激光系统用于通过双光子吸收来诱导分子的同时激发。尽管飞秒激光器能够实现高效的双光子吸收，但它们也存在缺陷，包括高阶工艺、成本、可靠性问题和尺寸。

    在 KIT-海德堡大学团队开发的两步吸收过程中，一个光子将分子转移到中间状态。然后，第二个光子将分子从中间态转移到激发态。处于激发态的分子会引发打印 3D 结构所需的化学反应。与双光子吸收不同，两步过程中的光子不需要同时被吸收。

    研究人员说，在合适的条件下，两步吸收显示出与双光子吸收相同的二次光学非线性。印刷过程需要特定的光刻胶。研究人员与化学家合作，开发了一种光刻胶系统。该系统基于支持两步吸收的光引发剂。

使用两步吸收过程（左）和光学显微镜（右）打印的 3D 纳米结构的电子显微镜重建。 由海德堡大学的 Rasmus Schröder 教授和 KIT 的 Vincent Hahn 提供。

    研究小组认为，两步吸收可以代替双光子吸收作为主要的光学激发过程。两步 3D 打印过程所需的激光功率远低于传统激光笔所需的激光功率。

    “对于这个过程，可以使用紧凑和低功率的连续波激光二极管，”研究员文森特哈恩说。

     演示表明，两步吸收系统可用于打印最先进的 3D 纳米结构。在实验中，该团队使用了一种廉价、紧凑的连续波半导体激光二极管产生的约 100 μW 光功率，发射波长为 405 nm。哈恩认为，两步法比传统的双光子吸收法效果更好。

               KIT 教授 Martin Wegener 说：“使用 10,000 欧元的大手提箱大小的飞秒激光器或使用针头大小且成本不到 10 欧元的半导体激光器有很大的不同。”研究论文的作者。研究人员计划将 3D 激光纳米打印机的其他组件小型化。 “对我来说，在未来几年里，一个像鞋盒一样大的设备看起来很现实，”韦格纳说。 “这甚至比我在 KIT 桌面上的激光打印机还要小。”两步吸收过程可以促进 3D 激光纳米打印机的彻底小型化，同时大幅降低成本，使更多人能够负担得起。