光子桥接双光子激光直写对3D打印粗糙度和精度的改善

       光子桥接双光子激光直写对3D打印粗糙度和精度的改善。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“ 光子桥接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”。  

       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。  

       这种微纳尺度的3D打印机给科学家提供了一种强有力的手段，来设计和加工多种多样以往只能够进行仿真模拟的微纳结构，通过实际实验检验它们的性质。尤其是在光学研究领域，出现了许多以双光子激光直写技术为基础的研究工作。

       双光子直写技术加工的三维光子晶体 

        光子桥接双光子激光直写技术实际应用的一个例子，科学家使用该技术制作了三维的光子晶体。光子晶体（Photonic Crystal）是一种人工微纳结构，它由不同折射率的介质周期性排列而成，具有特殊的光子带隙，因而拥有很多奇异的光学性质。这种微纳周期结构加工起来非常困难，但使用双光子激光直写技术，则可以非常方便的加工出来。  

       双光子直写技术制作的内窥镜 

       我们都知道，内窥镜技术为医学诊断、工业探伤等领域提供了强 力的手段，对于内窥镜，相信大家Z为熟悉的就是胃镜。医生将通过光导纤维相连的内窥镜通过食道插入胃部，可以借此观察胃部图像，对检测黏膜损伤、内溃疡、胃出血等症状提供直接证据。