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不堪设想的微纳造物技术:很大水平改善毛糙度跟 精度

日期:2020-10-14 17:48:47 人气:760
起源:迷信大院微信公家号   信任绝大多数人对于“3D打印”这个概念并没有会觉得生疏,由于桌面级家用小型3D打印机早已走入了千家万户,也有众多的学校或机构购置了专业级3D打印机供学员或用户使用,以3D打印机为中心的教育课程也如雨后春笋般在各个大城市中涌现。   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:从价钱上来看,有较为廉价的家用桌面级小型3D打印机,也有较为昂贵的用于实际产业出产的大型产业级3D打印机;从打印用到的资料来看,有的是树脂、塑料,有的是金属,有的以至用黏土。 以黏土为原资料的3D打印机   不外,因为通常的3D打印机都是基于“分层制作”的原理工作的,因而无论是桌面级仍是产业级,3D打印的物体层的精度很受限,具有所谓的“台阶效应”,这使得3D打印机很难制作低毛糙度、高精度的器件,如各种光学元件、微纳标准的构造器件等等。   今天要给大家先容的技术则从另一个角度动身,很大水平上改善了毛糙度跟 精度的问题,它被称为双光子3D打印,精确地说应该称为“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)”。   要精确描写这项技术,首先要了解明白手机验证领58彩金不限id叫做“双光子吸收效应”。   双光子吸收效应   物资能够对于光发生吸收,这一点咱们十分熟识。有一些造物技术就是基于这一点,例如,用紫外光照耀光敏聚合物,被照耀到的处所逐步发生固化,由液态、胶态转化为固态。这项技术的一个罕见利用就是牙科诊所顶用光敏物资填补牙齿。   绝大多数物资对于光的吸收都是将一个光子作为根底单位进行吸收的,一次只能吸收一个光子。然而在有些特别物资中,因为具有特别的能级跃迁模式,也会涌现同时吸收多个(多少个以至多少十个)光子的情形,这就是“多光子吸收效应”。   但该效应的前提十分刻薄,往往要求特定的物资跟 极高的能量密度。双光子吸收效应是该类效应中的一种典范代表。在双光子吸收进程中,资料分子由基态跃迁至激起态,旁边经由一个虚能级实现。   通常情形下,物资与光的互相作用是一种线性作用。罕见的物体对于特定波长的光透过率吸收率是必定的,这个比例并没有会跟着光强度变化而变化,因而这种作用是线性的。然而双光子吸收却是一种三阶非线性效应,即跟着光能量密度的添加,该效应会疾速增强。 线性跟 非线性吸收效应曲线示用意   借助于这种非线性的双光子吸收效应,迷信家将微纳标准的3D打印酿成了事实。   只有当光强加强到必定值,才会涌现较为分明的双光子吸收效应,应用这一点,咱们能够通过将激光聚焦的方式,将反响区域局限在焦点邻近极小的地位。而且通过精细挪动台纳米量级的挪动,使该焦点在光敏物资内挪动,聚焦的微纳光斑经由的地位,光敏物资发生变性跟 固化,因而能够打印恣意外形的3D物体。   使用这种方式打印的微纳物体最大的特色是精度高,实践精度能够到达100nm作用,这是传统3D打印法子难以企及的。 双光子激光直写技术原理示用意(https://3dprintingindustry.com/news/77339-77339/)   科研上的利用   这种微纳标准的3D打印机给迷信家提供了一种强有力的手腕,来设计跟 加工多种多样以往只可以进行仿真模仿的微纳构造,通过实际试验检修它们的性质。尤其是在光学研讨领域,涌现了许多以双光子激光直写技术为根底的研讨工作。   双光子直写技术加工的三维光子晶体(http://photonhive.com/what-cool-things-you-can-do-with-direct-laser-writing-a-k-a-3d-printer/)   上图是科研中双光子激光直写技术实际利用的一个例子,迷信家使用该技术制造了三维的光子晶体。光子晶体(Photonic Crystal)是一种人工微纳构造,它由没有同折射率的介质周期性摆列而成,存在特别的光子带隙,因此领有良多奇怪的光学性质。这种微纳周期构造加工起来十分难题,但使用双光子激光直写技术,则能够十分利便的加工出来。   除了光子晶体,双光子激光直写技术还用于加工微纳标准的光学元件,下图就是这样一个例子。   双光子直写技术制造的内窥镜(http://www.nature.com/nphoton/journal/v10/n8/full/nphoton.2016.121.html)   咱们都晓得,内窥镜技术为医学诊断、产业探伤等领域提供了强力的手腕,对于于内窥镜,信任大家最为熟识的就是胃镜。医生将通过光导纤维相连的内窥镜通过食道插入胃部,能够借此察看胃部图像,对于检测黏膜伤害、内溃疡、胃出血等症状提供直接证据。   2016年Nature Photonics颁发了一篇文章,迷信家应用双光子激光直写技术在光纤顶端没有到一百多微米的标准范畴内加工了成像后果良好的透镜组,制成了目前世界上最小的内窥镜。   双光子直写技术加工的单透镜、双透镜跟 三透镜组的成像后果。a。单透镜、双透镜跟 三透镜组的光路设计图 b。成像后果仿真模仿图 c。单透镜、双透镜跟 三透镜组剖面的电子显微镜照片 d。试验实际得到的成像后果图   艺术领域的利用   当然,除了科研领域外,该项技术越来越多的被应用在艺术领域。   2014年,南非艺术家Jonty Hurwitz与Weitzmann Institute of Science的迷信家们配合,应用该技术制成了世界上最小的雕塑。   首先他们通过三维扫描技术扫描并记载了人体模特身材的三维空间信息,而后将其转化为空间坐标。再而后,他们应用双光子激光直写技术,在一根针的针孔里制造了该人体模特的微纳雕塑,这是世界上最小的人体雕塑,并取得了吉尼斯世界纪录的正式认证。 双光子激光直写技术制造的世界最小的人体雕塑(http://www.jontyhurw
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