一种基于非线性光学过程的激光直写微细加工技术—双光子光刻

增材制造的快速发展推动了各个研究领域和工业应用的革命。在众多先进的3D打印技术中，双光子光刻在纳米级打印方面具有独特的显著优势，可以直接从计算机辅助设计(CAD)模型制造任意三维原型，分辨率高达100nm，已广泛应用于生命科学、材料科学、机械和微流体等多个领域。

双光子光刻

直写技术能够制造具有高空间分辨率和尺寸精度的三维结构。基于激光的直接写入方法对于3D微结构的制造尤其具有吸引力。双光子光刻(Two-photon Lithography，TPL)是一种基于非线性光学过程的激光直写微细加工技术，与传统立体光刻相比，TPL提供了更高的分辨率，它能够产生比激光束投射点更小的聚合单元，允许以更高的空间分辨率进行真正的3D结构制造。TPL的三维制造特性非常适合复杂形状的制造，并有利于超材料的构建。

TPL运行所依赖的基本现象是双光子吸收(Two-photon Absorption，TPA)，双光子吸收的发生主要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处，利用两个光子同时吸收能量来激发光敏聚合物的聚合反应，从而实现精密的三维结构制造。

图1 a)TPL 3D打印制造系统的典型装备示意图；b)TPA诱导光敏材料在焦点中心固化示意图

双光子打印使用材料

1. 丙烯酸酯

丙烯酸酯基光刻胶在TPL中很受欢迎，由于其成本低廉、多功能性、快速加工、具有机械和光学上的稳定性，被广泛用于生产医疗设备、细胞支架等。

图2 A)核心丙烯酸酯官能团；B)丙烯酸酯聚合物骨架；C)丙烯酸酯微针；D)用于光束扩展的超细光纤；E)微型雾化器；F)神经网络的细胞支架；G)丙烯酸酯细胞支架

2.水凝胶

TPL 中广泛研究的另一类材料是水凝胶，水凝胶具有与细胞外基质相似的成分，使其成为模仿细胞 3D 环境的完美候选者。虽然水凝胶具有强大的仿生特性和较低的细胞毒性，但机械稳定性较低，因此经常需要增强其交联度。

 

图3 A)明胶型水凝胶肽主链之间的物理相互作用；B)由PEG-DA低聚物组成的水凝胶与n个重复乙二醇单元的化学相互作用；C-G)水凝胶细胞支架实例

3.环氧树脂（SU-8）

SU-8是一种独特的环氧基光刻胶，每个单体具有8个环氧基团。由于其良好的加工性能、高分辨率和高机械强度，广泛应用于传统的 3D 激光光刻，同样可通过TPL聚合。SU-8聚合后需要进行热处理，以提高相关应用中的热稳定性。

 

图4 A)核心环氧化物单体官能团；B)环氧聚合物骨架；C)给TPL加工的微机器人添加镍钛涂层；D)螺旋微机器人；E)垂直打印的SU-8微型机器人；F+G)由于与涂覆工艺相关的蒸发过程而在基板上产生的阴影特写；H)带有微粒装载支架的微游泳机器人

4.无机/有机杂化材料

TPL 最常用的材料之一是混合有机-无机光刻胶。有机部分可以实现力学性能的调节、孔隙率的控制，为材料带来额外的物理或生物性能；而无机部分使材料具有热稳定性和机械稳定性，还可以改变混合体的折射率，有助于实现电子、电化学或活性光子特性。

 

图5 A)ORMOCER聚合物的有机/无机杂化骨架；B)Ormocer微针；C)微针阵列；D)血浆分离微滤器；E)用于研究光物质相互作用的光学微谐振器

应用场景

TPL的加工分辨率可达百纳米精度，且加工过程不需要额外掩模版配合，可加工任意三维结构，因此近年来在许多领域得到了广泛的研究和应用：

● 生物医学：无痛微针阵列、磁螺旋微机器人、细胞支架、组织工程、仿生应用

● 微机械结构：精密仪器、传感器、微型机器、微流体器件

● 光学器件：衍射光学元件、成像光学、光纤传感、全息彩色打印、拓扑光学、量子光学

● 数据存储

● 研究开发

结    语

本公司可提供双光子光刻代加工及全流程解决方案科研服务，资源丰富，工艺能力保证，支持大空间(50mm*50mm* 20mm)、多尺寸、多结构高速(100mm/s)打印！

审核编辑：刘清