一種新的三維納米打印方法

正文

一種新的三維納米打印方法

技術背景：

在雙光子吸收過程中，光場會(hui) 在基態和量子係統(例如分子)的相關(guan) 激發態之間產(chan) 生一個(ge) 狀態。這種誘導狀態，通常被稱為(wei) 虛擬態(在量子光學中也稱為(wei) 修飾狀態)。這種狀態確實存在，但前提是光場開啟。使用激光脈衝(chong) 時，虛擬狀態壽命由脈衝(chong) 持續時間決(jue) 定。直觀上，第一個(ge) 光子誘導電子從(cong) 基態躍遷到虛擬態，第二個(ge) 光子誘導躍遷到激發態。

雙光子吸收過程在多光子光學顯微鏡和多光子光學光刻中至關(guan) 重要，這兩(liang) 種国产成人在线观看免费网站都已商業(ye) 化多年。多光子光學光刻已成為(wei) 製造從(cong) 納米級到微米級的三維(3D)結構的成熟方法。在3D光學光刻(也稱為(wei) 直接激光寫(xie) 入或 3D 激光納米打印)中，雙光子吸收導致光引發劑躍遷率的縮放，因此曝光劑量與(yu) 光強度的平方成正比。至關(guan) 重要的是，這種二次非線性抑製了衍射極限激光焦點不可避免的橫向和軸向拖尾，從(cong) 而保證了沿所有三個(ge) 空間方向的激發和後續化學反應的關(guan) 鍵濃度。重要的是，沒有額外非線性的單光子吸收不能從(cong) 根本上提供這種濃度來製造任意3D 結構。為(wei) 了獲得有效的雙光子吸收，通常使用鎖模皮秒或飛秒激光源。

盡管雙光子光刻是一項成熟的技術，但在3D激光納米打印中使用飛秒激光器獲得有效的雙光子吸收仍有許多缺陷。首先，當從(cong) 足夠多的聚合物交聯點向上增加激光功率時，由於(yu) 三光子和四光子吸收過程以及更甚的開始，會(hui) 發生微爆炸，從(cong) 而導致多餘(yu) 的高能電子態。通常，發生微爆炸的激光功率比寫(xie) 入點高一個(ge) 數量級以下。即使在寫(xie) 入點，光刻膠中的小汙染物或汙垢微粒也會(hui) 引發微爆炸。此類事件使整個(ge) 耗時的3D打印作業(ye) 變得毫無用處。其次，所需的飛秒激光振蕩器仍需花費數萬(wan) 歐元。第三，飛秒激光器及其配件占整個(ge) 儀(yi) 器的相當大的體(ti) 積部分。迄今為(wei) 止，這種成本和尺寸的結合阻止了3D激光納米打印機的廣泛国产成人在线观看免费网站。

技術要點：

基於此,德國卡爾斯魯厄理工學院的Vincent Hahn(一作兼通訊)等人提出一種用兩步吸收替代雙光子吸收，從而可用小巧、低成本的半導體激光二極管替代飛秒激光器實現緊湊、大都數人可及的三維激光納米打印技術。

(1)提出一種用於3D激光納米打印的光刻膠係統，該係統包含苯甲醇作為光引發劑，支持兩步吸收而不是雙光子吸收(兩步吸收是量子切割的逆過程，而雙光子吸收是參數下變頻的逆過程。如果在適當的條件下使用，兩步吸收與雙光子吸收表現出相同的曝光劑量對光強度的二次依賴關係)。與雙光子吸收不同，具有亞毫瓦光輸出功率的連續波激光器足以在兩步吸收中實現聚合，且實際曝光可能需要低於50μW的功率。

(2)使用成本僅為數十歐元的半導體連續激光器，證明了在405nm激光波長處的兩步吸收，所打印出來的三維納米結構的空間分辨率甚至能與STED-inspired的雙光子3D激光納米打印相媲美。

係統基本組成：

a、激光二極管(L405P150,Thorlabs)安裝在溫控製支架上(LDM56/M, Thorlabs)。二極管的溫度由熱電冷卻器控製器(TED200C, Thorlabs)控製。

b、一個焦距8mm的非球麵鏡片(A240TM-A,Thorlabs)將激光二極管的光束準直輸出。

c、焦距40mm平凸透鏡(LA1422-A,Thorlabs)對光束聚焦後穿過直徑10微米的針孔(P10C, Thorlabs)。

d、由焦距75mm的消色差透鏡(AC254-075-A, Thorlabs)對光束準直。

e、光束由一對galvanometric mirrors(Saturn 5B 56S, Pangolin Laser Systems)做x-y掃描。

f、聚焦用顯微鏡物鏡(HCXPLAPO 100x/1.4-0.7 oil CS, Leica Microsystems)。

g、三維壓電平台有小行程(P-257.3CL, Physik Instrumente,200umX200umX20um)和較大行程(P-563.3CD, Physik Instrumente,300umX300umX300um)。(隻用壓電平台進行XYZ掃描，速度很慢，所以需要加上振鏡用於在物鏡的視野內快速的XY掃描，加快打印速度)

h、峰值波長640nm的LED和ccd相機采取透射式觀察打印過程。

(圖1、雙光子吸收和兩(liang) 步吸收能級圖)

實驗結果:

(圖2、兩(liang) 步吸收打印在二維和三維的分辨率)

(圖3、一些三維打印納米結構的斜視電子顯微照片)

附錄：

(1)雙光子光刻是一種三維打印技術，能製造具有高分辨特征的微觀結構。它通過在光敏材料(聚合物、無機或混合材料)內(nei) 移動聚焦的激光束來製造三維結構。它可行的原因是激光束在光敏材料內(nei) 部引發化學反映，使其固化，從(cong) 而形成微觀結構。要製造的結構通過3D圖形軟件設計，然後將3D模型分割成一組2D平麵用於(yu) 3D結構的逐層構建。

(圖4、通過操縱光敏材料內(nei) 的激光焦點逐層製造3D結構)

(2)一些雙光子光刻的係統圖，用於(yu) 參考兩(liang) 步吸收係統

(來源：https://www.l3dw.com/two-photon-lithography-setup/)

(來源：https://doi.org/10.1002/admt.202100944)

參考文獻：Hahn, V., Messer, T., Bojanowski, N.M. et al. Two-step absorption instead of two-photon absorption in 3D nanoprinting. Nat. Photon. 15, 932–938 (2021).(https://doi.org/10.1038/s41566-021-00906-8)Two-photon Lithography System. Prem Prabhakaran.(https://www.l3dw.com/two-photon-lithography-setup/）

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