本文閱讀導(dǎo)圖

本文為AM易道基于原論文的獨立解讀，含大量觀點性（可能有解讀錯誤的）原創(chuàng)表述，部分內(nèi)容已脫離原文語境。完整技術(shù)細節(jié)請以Nature原文為準，請感興趣的讀者查閱原始文獻。

AM易道學(xué)術(shù)分享

雙光子3D打印一直有個大難題，打不了大件。

視場就幾百微米，打厘米級零件得切成上千塊慢慢拼，拼完一看，接縫處全是瑕疵。

斯坦福大學(xué)聯(lián)合勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊上個月在Nature正刊給出新解法：

加工幅面12平方厘米，超過12萬個焦點同時工作，每秒沉積1.2億個體素。

做過雙光子光刻3D打印的人看一眼就知道這個文章為什么登上Nature正刊，困擾這個3D打印技術(shù)領(lǐng)域二十年的規(guī)?；瘑栴}，終于有了一條清晰的技術(shù)路線。

這篇論文里團隊拿出了一套完整的系統(tǒng)方案，超透鏡陣列生成焦點，空間光調(diào)制器獨立控制每個焦點，自適應(yīng)算法處理任意結(jié)構(gòu)的路徑規(guī)劃。

這套組合拳讓雙光子3D打印從實驗室工具走向規(guī)?；圃斐蔀榭赡?。

傳統(tǒng)雙光子3D打印規(guī)?；?/strong>卡在哪里？

理解這項工作的價值，先看現(xiàn)有的瓶頸在哪。

Figure 5提到，主要瓶頸是視場限制、鄰近效應(yīng)、拼接誤差，三個綁在一起的硬約束。

傳統(tǒng)顯微物鏡的視場就幾百微米。打厘米級零件怎么辦？切成上千個小塊，逐個打印再拼起來。

Figure 5e的SEM照片展示了代價，木堆結(jié)構(gòu)的拼接處出現(xiàn)明顯錯位。

這還只是表面質(zhì)量，拼接縫對機械性能的損害更大。

并行化是提速的直覺思路，但有硬約束。

Figure 5c的模擬顯示，焦點間距小于10微米時，相鄰位置的光聚合反應(yīng)開始互相干擾，導(dǎo)致過固化和分辨率下降。有限視場里能塞的焦點數(shù)量，有物理上限。

Figure 5d量化了另一個現(xiàn)實，打大零件時，長距離臺面移動和反復(fù)定位校準吃掉大把時間。峰值通量標得再高，實際有效產(chǎn)出卡在10?體素每秒左右。

超透鏡陣列：換一種思路生成焦點
這部分內(nèi)容比較適合光學(xué)專業(yè)讀者閱讀。
所以前文說了那么多傳統(tǒng)雙光子打印的瓶頸，究竟該如何突破？

文獻解法是徹底繞開傳統(tǒng)成像物鏡。

Figure 1a-b展示了新架構(gòu)，用超透鏡陣列直接生成大規(guī)模焦點，每個超透鏡獨立聚焦，天然規(guī)避鄰近效應(yīng)。

Extended Fig. 1給出了超透鏡的設(shè)計細節(jié)。

團隊做了兩套陣列：50×50的高分辨率版（200微米透鏡），和370×350的高通量版（100微米透鏡）。

兩套陣列的設(shè)計思路一樣，在硅片上刻出納米級的小柱子，通過調(diào)整每根柱子的旋轉(zhuǎn)角度來控制光的傳播方向，最終把平行光聚成焦點。

為什么是超透鏡而不是普通微透鏡陣列？Figure 1e說明，超透鏡的獨特之處在于：

透鏡做得大、聚光能力強、焦點還不變形，泡在樹脂里也能正常工作，而且能用芯片廠的產(chǎn)線批量生產(chǎn)。

Figure 1d直觀展示了工作狀態(tài)，100微米透鏡陣列產(chǎn)生的焦點整齊排列，間距等于透鏡尺寸。

焦點間距由透鏡尺寸決定，100微米或200微米，遠超10微米的干擾閾值。

鄰近效應(yīng)從源頭就避開了。

空間光調(diào)制器，讓每個焦點獨立可控

光有陣列還不夠，還得能獨立控制每個焦點。

Figure 1c展示光路設(shè)計：飛秒激光先過空間光調(diào)制器（縮寫SLM，不是金屬3D打印的SLM）做相位調(diào)制，再通過4f系統(tǒng)投射到超透鏡陣列上。

Extended Fig3解釋調(diào)制原理，簡單來說，利用相位轉(zhuǎn)強度的光學(xué)技巧，配合偏振元件，實現(xiàn)0到100%的連續(xù)灰度控制。

Extended Fig. 2的系統(tǒng)照片里有個細節(jié)值得注意：

4f系統(tǒng)中間焦點處裝了個真空腔。

為什么？

飛秒脈沖能量太高，聚焦點會把空氣電離成等離子體，光束一過就廢了。

這種看起來不起眼的工程細節(jié)，說明團隊是奔著工程級別的穩(wěn)定運行去的。

說回到灰度控制，灰度控制帶來了分辨率上的自由度。

具體而言，AM易道嘗試理解，灰度控制能調(diào)線寬。

原理是，雙光子固化有功率閾值，只有光強超過閾值的區(qū)域才會聚合。

把激光調(diào)暗，只有焦點正中心那一點過閾值，線就細；

調(diào)亮，過閾值的范圍擴大，線就粗。

Figure 1f-h展示結(jié)果，精確調(diào)節(jié)SLM值，可以打出橫向113納米、軸向262納米的懸空納米線。

Figure 1g的統(tǒng)計不同超透鏡打印的線寬，標準差只有16.5納米。校準之后，系統(tǒng)一致性相當可靠。

Extended Fig. 5和6展示了從亞衍射到衍射極限的連續(xù)線寬調(diào)制。

同一套系統(tǒng)，能在極限分辨率和高速模式之間切換。

相當驚艷。

厘米級實證

Figure 1j-k是個標志性演示：30×30×0.32毫米的LLNL標志，打印時間不到2小時，線寬保持亞微米級。

論文算了一筆賬，同樣的任務(wù)用傳統(tǒng)串行雙光子方案需要一個多月。

Figure 2展示了各類基準結(jié)構(gòu)。令人目不暇接。

2a的3DBenchy船模陣列考驗懸垂、穿孔、銳角等復(fù)雜特征。

2b-c的微粒陣列展示復(fù)制產(chǎn)能，論文提到，用2500個透鏡的小陣列，半小時能打22500個凹多面體微粒；

換成12萬透鏡的大陣列，產(chǎn)能可達每天5000萬個。

2d是梯度密度泡沫，2e是多深度微針陣列，都指向具體應(yīng)用場景。

拼接質(zhì)量是重點。

Figure 2h-j展示了1平方厘米的八面體晶格LLNL標志，50微米單元構(gòu)成，拼接縫隙小于100納米。

原理是每層打印時各透鏡區(qū)域自動對接非常有效。

通俗講，傳統(tǒng)方法是一個小鏡頭跑遍全場，跑得越遠誤差積得越多，現(xiàn)在是12萬個透鏡各管一小塊，每個透鏡只需要在自己的小范圍內(nèi)動，更容易對齊。

非周期結(jié)構(gòu)怎么打

周期結(jié)構(gòu)的并行打印相對直接，所有焦點同步掃描就行。

非周期結(jié)構(gòu)是更大的考驗。Figure 3展示了團隊的兩套方案，圖片的案例都很精美值得收藏。

第一套叫分區(qū)法，針對半周期結(jié)構(gòu)，外形非周期但內(nèi)部填充周期。

Figure 3b-d的例子是1平方厘米的仿生毛細管網(wǎng)絡(luò)，由三種結(jié)構(gòu)疊加：

立方支撐骨架、斜向?qū)Я髦е⒏綦x墻。打印時輪流用三套SLM掩膜，同一層內(nèi)分別曝光。

成品能靠毛細作用混合兩種液體，是個微流控器件。

第二套叫自適應(yīng)元光刻（AML），對付完全非周期結(jié)構(gòu)。

Figure 3e-f用國際象棋棋子做了直觀解釋：

假設(shè)你要用100個透鏡同時打印100個不同的棋子。

AM易道的理解是，先把每個棋子分配給一個透鏡。然后看第37號透鏡要打馬頭圖案的某一筆，第82號透鏡恰好也要在相同的相對位置打一筆，那這兩個透鏡就可以同時動。

算法把所有透鏡的軌跡疊在一起，找出哪些筆畫可以同步，哪些必須單獨跑，最后排出一個盡量讓多個透鏡同時工作的打印順序。

Figure 3g的Voronoi晶格相對密度25.2%，也就是說平均每個時刻有四分之一的焦點在干活。

基數(shù)是12萬個焦點，四分之一也有3萬多個同時工作。

這個案例回答了一個關(guān)鍵問題，系統(tǒng)不是只能打重復(fù)陣列，完全隨機的結(jié)構(gòu)也能高效處理。

Figure 3h-j是16種不同國際象棋開局的并行打印，每個棋子由單獨一個透鏡負責，證明這套算法能處理完全任意的三維結(jié)構(gòu)。

Figure 3j的照片非常有趣，棋盤在環(huán)境光下呈現(xiàn)彩虹色澤，這是結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的彩色，跟孔雀羽毛、蝴蝶翅膀一個原理。

打印的線條間距落在幾百納米級別，剛好能對可見光形成衍射光柵，不同角度反射不同波長。

能出結(jié)構(gòu)色本身就是一種質(zhì)檢。要是不同區(qū)域的線寬、間距有波動，顏色就會亂掉，不會這么均勻。

所以這張彩虹色的照片表明的是12萬個透鏡打出來的東西，精度一致性高。

超材料驗證

論文沒有停在打印演示層面。下面兩張圖又展示了一波打印能力和關(guān)鍵應(yīng)用。

Figure 4聚焦機械超材料，Extended Fig. 10展示太赫茲超材料，都做了完整的功能驗證。

機械超材料部分，團隊制備了三種拓撲的宏觀試樣：拉伸主導(dǎo)的八面體晶格、彎曲主導(dǎo)的開爾文晶格、互鎖的鏈甲晶格?？梢哉f是把當下研究的主流和前沿結(jié)構(gòu)都跑了一遍。

以鏈甲晶格為例，抗裂紋擴展能力強于是八面體晶格的，而且裂紋不是一下子貫穿，而是交替從缺口兩端慢慢擴展。

從圖中展示的機理來看，鏈甲結(jié)構(gòu)的單元是互鎖的，拉伸時可以重新排列，把應(yīng)力分散開。這種越扯越韌的行為，小樣品上根本觀察不到。

上圖的太赫茲超材料是另一個被激活的方向。

太赫茲波段缺好用的光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)尺寸要求幾十到幾百微米，面積又要大，過去的雙光子打印擅長微結(jié)構(gòu)但整體尺寸一直做不大。

而本文團隊打了厘米級的螺旋陣列，實現(xiàn)了0.2-1.2太赫茲的圓偏振濾波，還能做成柔性器件。

這類大面積太赫茲元件，以前一直卡在制造環(huán)節(jié)。

規(guī)模化的底層邏輯

現(xiàn)有雙光子光刻3D打印技術(shù)被視場和鄰近效應(yīng)雙重約束，寫場面積卡在平方毫米級。

而本文的超透鏡方案把聚焦元件從單一物鏡換成大規(guī)模陣列，約束條件隨之改變：

構(gòu)建面積由陣列尺寸決定，可以做到晶圓級；

焦點間距由透鏡尺寸決定，自動規(guī)避鄰近效應(yīng)；

短程焦點運動消除長距離拼接帶來的誤差。

論文指出，基于現(xiàn)有商用組件，這套方案可以擴展到10的10次方個體素每秒，比當前水平再提兩個數(shù)量級。

無非需要的是更大的超透鏡陣列、更高刷新率的光調(diào)制器、更高重頻的飛秒激光，而且這些市面上都有成熟產(chǎn)品。

AM易道看完這篇論文，有幾個想法。

過去多年的雙光子改進集中在掃描策略和樹脂配方，沒跳出成像物鏡的框架。

本文超透鏡方案不是在有限視場里塞更多焦點，而是直接把視場這個概念取消掉。

系統(tǒng)集成上，這項工作的成功不是停留在某個單點技術(shù)的突破。超透鏡設(shè)計、SLM控制、路徑算法、樹脂配方，每個環(huán)節(jié)都要配合。

應(yīng)用驗證非常硬核，超材料的斷裂測試和太赫茲器件的光學(xué)表征，除了硬核打印能力的演示，也意味著能夠開啟一系列的新研究和新應(yīng)用。

我們也將持續(xù)關(guān)注當雙光子等微納打印通量提升兩三個數(shù)量級后，哪些應(yīng)用會被激活？

哪些現(xiàn)在生產(chǎn)不了的結(jié)構(gòu)會變得可行？

答案可能就是某個細分場景的下一個規(guī)?；瘧?yīng)用。