一種基于非線性光學過程的激光直寫微細加工技術—雙光子光刻

增材制造的快速發展推動了各個研究領域和工業應用的革命。在眾多先進的3D打印技術中，雙光子光刻在納米級打印方面具有獨特的顯著優勢，可以直接從計算機輔助設計(CAD)模型制造任意三維原型，分辨率高達100nm，已廣泛應用于生命科學、材料科學、機械和微流體等多個領域。

雙光子光刻

直寫技術能夠制造具有高空間分辨率和尺寸精度的三維結構?；诩す獾闹苯訉懭敕椒▽τ?D微結構的制造尤其具有吸引力。雙光子光刻(Two-photon Lithography，TPL)是一種基于非線性光學過程的激光直寫微細加工技術，與傳統立體光刻相比，TPL提供了更高的分辨率，它能夠產生比激光束投射點更小的聚合單元，允許以更高的空間分辨率進行真正的3D結構制造。TPL的三維制造特性非常適合復雜形狀的制造，并有利于超材料的構建。

TPL運行所依賴的基本現象是雙光子吸收(Two-photon Absorption，TPA)，雙光子吸收的發生主要在脈沖激光所產生的超強激光焦點處，利用兩個光子同時吸收能量來激發光敏聚合物的聚合反應，從而實現精密的三維結構制造。

圖1 a)TPL 3D打印制造系統的典型裝備示意圖；b)TPA誘導光敏材料在焦點中心固化示意圖

雙光子打印使用材料

1. 丙烯酸酯

丙烯酸酯基光刻膠在TPL中很受歡迎，由于其成本低廉、多功能性、快速加工、具有機械和光學上的穩定性，被廣泛用于生產醫療設備、細胞支架等。

圖2 A)核心丙烯酸酯官能團；B)丙烯酸酯聚合物骨架；C)丙烯酸酯微針；D)用于光束擴展的超細光纖；E)微型霧化器；F)神經網絡的細胞支架；G)丙烯酸酯細胞支架

2.水凝膠

TPL 中廣泛研究的另一類材料是水凝膠，水凝膠具有與細胞外基質相似的成分，使其成為模仿細胞 3D 環境的完美候選者。雖然水凝膠具有強大的仿生特性和較低的細胞毒性，但機械穩定性較低，因此經常需要增強其交聯度。

圖3 A)明膠型水凝膠肽主鏈之間的物理相互作用；B)由PEG-DA低聚物組成的水凝膠與n個重復乙二醇單元的化學相互作用；C-G)水凝膠細胞支架實例

3.環氧樹脂（SU-8）

SU-8是一種獨特的環氧基光刻膠，每個單體具有8個環氧基團。由于其良好的加工性能、高分辨率和高機械強度，廣泛應用于傳統的 3D 激光光刻，同樣可通過TPL聚合。SU-8聚合后需要進行熱處理，以提高相關應用中的熱穩定性。

圖4 A)核心環氧化物單體官能團；B)環氧聚合物骨架；C)給TPL加工的微機器人添加鎳鈦涂層；D)螺旋微機器人；E)垂直打印的SU-8微型機器人；F+G)由于與涂覆工藝相關的蒸發過程而在基板上產生的陰影特寫；H)帶有微粒裝載支架的微游泳機器人

4.無機/有機雜化材料

TPL 最常用的材料之一是混合有機-無機光刻膠。有機部分可以實現力學性能的調節、孔隙率的控制，為材料帶來額外的物理或生物性能；而無機部分使材料具有熱穩定性和機械穩定性，還可以改變混合體的折射率，有助于實現電子、電化學或活性光子特性。

圖5 A)ORMOCER聚合物的有機/無機雜化骨架；B)Ormocer微針；C)微針陣列；D)血漿分離微濾器；E)用于研究光物質相互作用的光學微諧振器

應用場景

TPL的加工分辨率可達百納米精度，且加工過程不需要額外掩模版配合，可加工任意三維結構，因此近年來在許多領域得到了廣泛的研究和應用：

● 生物醫學：無痛微針陣列、磁螺旋微機器人、細胞支架、組織工程、仿生應用

●微機械結構：精密儀器、傳感器、微型機器、微流體器件

●光學器件：衍射光學元件、成像光學、光纖傳感、全息彩色打印、拓撲光學、量子光學

●數據存儲

●研究開發

結 語

本公司可提供雙光子光刻代加工及全流程解決方案科研服務，資源豐富，工藝能力保證，支持大空間(50mm*50mm* 20mm)、多尺寸、多結構高速(100mm/s)打??！

審核編輯：劉清