揭秘雙光子3D列印技術
OFweek3D列印網訊 經過多年媒體的薰陶，相信絕大多數人都已經聽過3D列印這個概念。不少人甚至認為，3D列印技術將作為重要技術基石之一，把人類的工業文明推進到4.0時代。目前的3D列印也已經進入到了細分市場的階段，有家用桌面級的小型3d印表機，也有工業生產的大型工業級3D印表機；列印材料有的是塑膠，有的是金屬，甚至還有黏土。
圖1 以黏土為基礎材料的3D列印作品（筆者2015年拍攝於第二屆世界3D列印博覽會）
但無論是桌面級還是工業級，常見的3D列印機工作原理都是分層製造，這使得層與層之間的精度很受限，存在所謂的“臺階效應”。這使得3D印表機難以製造高精度的器件，如各種光學元件、微納尺度的結構器件等等。
今天要給大家介紹的技術則完美的解決了這個問題，它被稱為雙光子3D列印，其實專業名稱應該是雙光子鐳射直寫技術。為了理解這項技術，首先要知道什麼叫做“雙光子吸收效應”。物質對光的吸收作用我們非常熟悉，以此為基礎的造物技術也很常見，比如用紫外光照射一些光敏聚合物質，被光照射到的地方就會固化，成為固態的物體。如果您曾經利用光敏填充膠補過牙齒，就會有更直觀的感受了。
中學物理中我們曾經學到過，絕大多數物質對光的吸收都是將一個光子作為基礎單位進行的吸收的，一次只能吸收一個光子。但是實際上，極少數情況下，由於物質中存在特殊的能級躍遷模式，也會出現同時吸收兩個光子的情況，這就是“雙光子吸收效應”。但雙光子吸收的條件非常苛刻，它要求特定的物質和極高的能量密度。
通常情況下，物質與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體，如一塊玻璃或一杯水，對特定波長的光透過率是一定的，吸收率也是一定的，這個比例並不會隨著光強度變化而變化，因此這種作用是線性的。但是雙光子吸收卻是一種三階非線性效應，即隨著光能量密度的增加，該效應會隨之加強。
圖2 線性和非線性吸收示意曲線
這種非線性的雙光子吸收效應使得微納尺度的3D列印成為可能。既然只有當光強達到一定值，才會出現明顯的雙光子吸收效應，那麼若是將鐳射聚焦，則可以將反應區域局域在焦點附近極小的位置。通過納米級精密移動台，使得該焦點在光敏物質內移動，焦點經過的位置，光敏物質變性、固化，因此可以列印任意形狀的3D物體。
圖3 雙光子鐳射直寫技術原理示意圖
（German Researchers Develop 3D Printing Technique Capable of Printing Micron-Scale Optics）
這種微納尺度的3D印表機可以用來做什麼呢？實際上，它給科學家提供了一種強有力的手段，來設計和加工多種多樣的微納結構。
圖4 利用雙光子直寫技術加工的三維光子晶體
（WHAT COOL THINGS YOU CAN DO WITH DIRECT LASER WRITING (A.K.A 3D PRINTER)?）
圖4科研中的一個例子，科學家利用雙光子直寫技術製作了三維的光子晶體。光子晶體（Photonic Crystal）是由不同折射率的介質週期性排列而成的人工微結構，具有很多奇異的光學性質。但由於單元結構極其微小，加工起來非常困難。使用雙光子直寫則可以非常方便地加工出這種週期性排列的微納結構。
圖5 利用雙光子直寫技術在光纖頂端加工的內窺鏡
（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）
圖5則是雙光子直寫技術應用在科研中的另一個例子。內窺鏡技術為工業檢測和醫學診斷領域提供了極為強力的手段。大家最為熟悉的就是胃鏡，醫生將一束長長的光導纖維通過食道插入胃部，則可以觀察胃部圖像，從而直觀判斷出胃壁的狀態，對檢測黏膜損傷、內潰瘍、胃出血等症狀提供直接證據。2016年，科學家利用雙光子直寫技術在光纖頂端不到200微米的範圍內加工了成像效果良好的透鏡組，製成了目前世界上最小的內窺鏡，如圖6所示。此項工作筆者會在後續系列文章中詳細介紹。
圖6 雙光子直寫技術加工的單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的成像效果
a.光路設計圖 b.成像效果模擬模擬圖 c.單透鏡、雙透鏡和三透鏡組剖面電子顯微鏡圖 d.實驗得到的成像效果圖
（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）
除了科研領域，該項技術越來越多的被利用在藝術領域。
圖7 模特三維建模過程（TRUST）
2014年，藝術家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學家合作，利用雙光子直寫技術製成了世界上最小的雕塑。他們首先通過三維掃描技術記錄模特的三維空間資訊，然後將此資訊轉化為空間座標，導入到軟體當中。然後他們利用雙光子直寫技術，在一根針上製作了該人體模特的雕塑，不出意外的話，這應該是世界上最小的人體雕塑：TRUST。
圖8 雙光子鐳射直寫技術製作的世界上最小的人體雕塑（TRUST）
其實利用雙光子直寫技術加工的微納雕塑作品很多，例如圖9就是利用該技術製作的泰姬陵模型。
圖9 利用雙光子直寫技術製作的泰姬陵模型（TAJ）
當然了，雖然雙光子鐳射直寫技術在微納尺度加工領域具有極大的優勢，但並非全無缺點：用於雙光子鐳射直寫技術的光敏物質種類很有限；與膠片拍攝圖像類似，而且這種光敏物質往往也需要顯影和定影等過程，將列印的3D物體固定下來，因此加工過程更為繁瑣；微納尺度的加工耗時許久，因此難以利用它加工大尺度的產品。
圖10 典型的雙光子直寫儀基本配置（Nanoscribe）
而且從上文敘述中也可以看出，這項技術能夠成功的關鍵很大程度上是納米精度的移動台，因此運動模組極其精密且昂貴，更需要相應的檢測和控制系統。圖10是一台典型雙光子直寫儀的基本配置，從軟體到硬體需要完美配合，所以往往造價不菲。
圖1 以黏土為基礎材料的3D列印作品（筆者2015年拍攝於第二屆世界3D列印博覽會）
但無論是桌面級還是工業級，常見的3D列印機工作原理都是分層製造，這使得層與層之間的精度很受限，存在所謂的“臺階效應”。這使得3D印表機難以製造高精度的器件，如各種光學元件、微納尺度的結構器件等等。
今天要給大家介紹的技術則完美的解決了這個問題，它被稱為雙光子3D列印，其實專業名稱應該是雙光子鐳射直寫技術。為了理解這項技術，首先要知道什麼叫做“雙光子吸收效應”。物質對光的吸收作用我們非常熟悉，以此為基礎的造物技術也很常見，比如用紫外光照射一些光敏聚合物質，被光照射到的地方就會固化，成為固態的物體。如果您曾經利用光敏填充膠補過牙齒，就會有更直觀的感受了。
中學物理中我們曾經學到過，絕大多數物質對光的吸收都是將一個光子作為基礎單位進行的吸收的，一次只能吸收一個光子。但是實際上，極少數情況下，由於物質中存在特殊的能級躍遷模式，也會出現同時吸收兩個光子的情況，這就是“雙光子吸收效應”。但雙光子吸收的條件非常苛刻，它要求特定的物質和極高的能量密度。
通常情況下，物質與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體，如一塊玻璃或一杯水，對特定波長的光透過率是一定的，吸收率也是一定的，這個比例並不會隨著光強度變化而變化，因此這種作用是線性的。但是雙光子吸收卻是一種三階非線性效應，即隨著光能量密度的增加，該效應會隨之加強。
圖2 線性和非線性吸收示意曲線
這種非線性的雙光子吸收效應使得微納尺度的3D列印成為可能。既然只有當光強達到一定值，才會出現明顯的雙光子吸收效應，那麼若是將鐳射聚焦，則可以將反應區域局域在焦點附近極小的位置。通過納米級精密移動台，使得該焦點在光敏物質內移動，焦點經過的位置，光敏物質變性、固化，因此可以列印任意形狀的3D物體。
圖3 雙光子鐳射直寫技術原理示意圖
（German Researchers Develop 3D Printing Technique Capable of Printing Micron-Scale Optics）
這種微納尺度的3D印表機可以用來做什麼呢？實際上，它給科學家提供了一種強有力的手段，來設計和加工多種多樣的微納結構。
圖4 利用雙光子直寫技術加工的三維光子晶體
（WHAT COOL THINGS YOU CAN DO WITH DIRECT LASER WRITING (A.K.A 3D PRINTER)?）
圖4科研中的一個例子，科學家利用雙光子直寫技術製作了三維的光子晶體。光子晶體（Photonic Crystal）是由不同折射率的介質週期性排列而成的人工微結構，具有很多奇異的光學性質。但由於單元結構極其微小，加工起來非常困難。使用雙光子直寫則可以非常方便地加工出這種週期性排列的微納結構。
圖5 利用雙光子直寫技術在光纖頂端加工的內窺鏡
（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）
圖5則是雙光子直寫技術應用在科研中的另一個例子。內窺鏡技術為工業檢測和醫學診斷領域提供了極為強力的手段。大家最為熟悉的就是胃鏡，醫生將一束長長的光導纖維通過食道插入胃部，則可以觀察胃部圖像，從而直觀判斷出胃壁的狀態，對檢測黏膜損傷、內潰瘍、胃出血等症狀提供直接證據。2016年，科學家利用雙光子直寫技術在光纖頂端不到200微米的範圍內加工了成像效果良好的透鏡組，製成了目前世界上最小的內窺鏡，如圖6所示。此項工作筆者會在後續系列文章中詳細介紹。
圖6 雙光子直寫技術加工的單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的成像效果
a.光路設計圖 b.成像效果模擬模擬圖 c.單透鏡、雙透鏡和三透鏡組剖面電子顯微鏡圖 d.實驗得到的成像效果圖
（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）
除了科研領域，該項技術越來越多的被利用在藝術領域。
圖7 模特三維建模過程（TRUST）
2014年，藝術家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學家合作，利用雙光子直寫技術製成了世界上最小的雕塑。他們首先通過三維掃描技術記錄模特的三維空間資訊，然後將此資訊轉化為空間座標，導入到軟體當中。然後他們利用雙光子直寫技術，在一根針上製作了該人體模特的雕塑，不出意外的話，這應該是世界上最小的人體雕塑：TRUST。
圖8 雙光子鐳射直寫技術製作的世界上最小的人體雕塑（TRUST）
其實利用雙光子直寫技術加工的微納雕塑作品很多，例如圖9就是利用該技術製作的泰姬陵模型。
圖9 利用雙光子直寫技術製作的泰姬陵模型（TAJ）
當然了，雖然雙光子鐳射直寫技術在微納尺度加工領域具有極大的優勢，但並非全無缺點：用於雙光子鐳射直寫技術的光敏物質種類很有限；與膠片拍攝圖像類似，而且這種光敏物質往往也需要顯影和定影等過程，將列印的3D物體固定下來，因此加工過程更為繁瑣；微納尺度的加工耗時許久，因此難以利用它加工大尺度的產品。
圖10 典型的雙光子直寫儀基本配置（Nanoscribe）
而且從上文敘述中也可以看出，這項技術能夠成功的關鍵很大程度上是納米精度的移動台，因此運動模組極其精密且昂貴，更需要相應的檢測和控制系統。圖10是一台典型雙光子直寫儀的基本配置，從軟體到硬體需要完美配合，所以往往造價不菲。