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作 者

焦玢璋、陳發鈺、劉耘呈、范旭浩、曾紹群、董琪、鄧磊敏、高輝、熊偉

機 構

華中科技大學

Citation

Jiao B Z, Chen F Y, Liu Y C, Fan X H, Zeng S Q, Dong Q, Deng L M, Gao H, Xiong W. 2023. Acousto-optic scanning spatial-switching multiphoton lithography. Int. J. Extrem. Manuf.5035008.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ace0a7

撰稿 | 文章作者

文章導讀

近年來，納米三維打印技術因其能夠制造具有納米級特征尺寸零件而受到廣泛關注。其中，雙光子光刻技術因其具有真三維數字加工能力和超衍射極限的納米級加工分辨率，是最有前途的三維納米制造技術之一，已廣泛應用于制造微光學、光子晶體、微流體、超表面和機械超材料。盡管雙光子光刻技術在實驗室和工業應用中具有巨大潛力，但受限于較慢的加工制造效率，并未實現更廣泛的工業生產應用，因此如何在保證高精度、高設計自由度的同時實現高效率加工，一直是雙光子聚合3D打印技術的核心問題。為解決這一問題，華中科技大學武漢光電國家研究中心的熊偉教授團隊在《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表了《Acousto-optic scanning spatial-switching multiphoton lithography》的文章，首次提出了一種基于聲光掃描與空間開關的雙光子聚合光刻術，實現了高精度、高產率的納米3D打印方法。該光刻技術三維打印速率達到了創紀錄的 7.6 × 107 voxel/s，這比先前報道的雙光子光刻方法的產率高出近一個數量級，為大規模雙光子聚合3D打印方法的實現提供了可行的技術路線。

關鍵詞

微納三維增材制造；雙光子聚合光刻；無畸變聲光掃描

亮 點

• 采用無慣量聲光掃描實現快速3D納米打印，打印速率比基于機械振鏡掃描的方法提高近一個數量級；

• 提出非線性聲光掃頻技術，實現高速聲光掃描下的飛秒光場波像差矯正；

• 利用空間光開關技術在多焦點并行加工條件下實現任意非周期結構打印。

圖1 無慣量聲光掃描納米3D打印方法的特點：高速無慣量聲光掃描；空間光開關技術；多焦點并行制造；波像差矯正。

最新進展

精細復雜三維微納結構的加工制造是眾多學科前沿領域的核心基礎，而雙光子光刻技術憑借其真三維數字加工能力和超衍射極限的納米級加工分辨率，一直是行業內的研究熱點，現已被廣泛應用于三維超材料器件、微納光學器件、微電子器件、生物醫療工程等前沿領域。但相對于納米級的高分辨率，雙光子光刻技術低下的打印速率，一直限制著該技術進一步發揮潛力。為了提升雙光子光刻技術的生產效率，華中科技大學的熊偉教授團隊提出了一種基于聲光掃描和空間開關（Acousto-optic Scanning Spatial-switching, AOSS）的雙光子光刻技術，實現了7.6×107 voxel/s的3D打印速率。

圖2 AOSS方法簡介：(a) 微納3D打印系統示意圖；激光束通過無慣量聲光掃描發生偏轉，采用非線性掃頻信號驅動AODy可有效消除偏轉激光的波像差；進一步激光通過空間光開關進行切換，該開關包含一個均勻分光的衍射光學元件和一個數字微鏡掩膜板。調制后的光束通過高數值孔徑物鏡聚焦，選擇性地照射光刻膠，從而形成聚合物圖案；(b) 實驗對比由線性掃描信號和非線性掃描信號驅動的激光光場的波前；(c) 八焦點AOSS系統打印微橋模型的過程示意圖；(d) 微橋模型的SEM電鏡圖像，其中單個微橋模型的打印時間僅為130毫秒；(e) SEM 圖像的八個彩色處理區域分別代表八個焦點的獨立掃描區域，各焦點的掃描范圍連接起來形成一個整體。

AOSS系統框架如圖2 (a) 所示，包括了無畸變聲光掃描模塊與空間光開關模塊。傳統的掃描式雙光子光刻技術通常使用振鏡等機械掃描方式，掃描速度受慣性限制。該工作則利用聲光偏轉器（AOD）實現了無慣量的聲光掃描方法，相較于傳統的機械振鏡掃描方法，激光掃描速度提升了5~20倍。為了實現無畸變聲光掃描，研究團隊開發了AOD的非線性信號調制技術，使得掃場邊緣的波前像差的方均根RMS值不超過21.2 nm，確保在高速聲光掃描過程中光斑尺寸接近衍射極限。同時，該工作結合衍射光學器件實現了多焦點并行聲光掃描以進一步提高加工通量，其中多焦點由空間光開關的不同區域獨立控制，可以實現任意非周期性結構的3D打印。

圖3 AOSS方法的3D打印效果圖。(a) 三個足球結構的直徑分別為34、17 和8.5 μm；其打印時間分別為436、218和269毫秒。(b) 空心納米晶格的寬度為34 μm，高度為30.5 μm。每個單元的寬度為4.1 μm。(c) 邊長為16 μm，線寬為1.2 μm的超材料單元結構。(b) 和 (c) 的打印時間分別為393毫秒和64.5毫秒。(d) 放置在硬幣旁的超材料陣列。該陣列使用八焦點AOSS系統打印而成。(e)和(f)分別為放大的陣列單元的SEM圖像。(d)和(f)的掃描時間分別為 12.5 分鐘和 54.7 毫秒。(g)-(h) 展示了采用AOSS方法打印的多層級“HUST”微納立體結構。(i)-(l)分別為相對應的多尺度放大SEM圖像。(g)和(h)中的“HUST”微納立體結構由44844個足球單元組成，如(l)所示。該“HUST”微納立體結構的完整打印時間為74分鐘。

研究團隊展示了八焦點的AOSS系統，體素尺寸和產率分別為212 nm與7.6 × 107 voxel/s，它的體素產率是過去已報道的最快的機械式掃描MPL方法的8.4倍（Ref.: Adv. Funct. Mater. 30,1907795, 2020），是過去報道的最快的衍射式掃描MPL方法的38倍 (Ref.: Nat Commun. 14,1716,2023)；本方法與商品化的雙光子聚合3D打印方法相比，打印的速度可以提升490倍。

圖4 AOSS方法與其他雙光子聚合方法在生產效率上的對比。焦點數量用“N”表示。壓電、振鏡和共振鏡表示機械式雙光子聚合所使用的激光掃描方法。DMD、SLM表示衍射式雙光子聚合所使用的掃描方法。

未來展望

該工作中所報道的AOSS方法還具備相當的發展潛力，在將來可以進一步通過增加聲光掃描的掃描角度或者通光孔徑來增大聲光掃描范圍；并通過增加多焦點調制數量進一步提升加工速度。例如目前已有通過空間光調制器與數字微鏡等器件實現數百個甚至數千個焦點獨立控制的相關報道。綜上所述，文章中所展示的AOSS技術具有高產量、高分辨率和高設計靈活性，為將來大規模雙光子聚合3D打印制造的實現提供了一條富有前景的技術路線。

作者簡介

熊 偉 教授

華中科技大學

熊偉現為華中科技大學教授，中組部國家海外高層次青年人才，武漢光電國家研究中心激光與太赫茲功能實驗室主任，主要從事微納尺度激光3D/4D打印以及超快激光成像與表征等方面研究。近年來在《Science Advances》、《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Light：Science & Application》、《Nano Letters》 等國際知名期刊發表論文50多篇，授權和公開國內外發明專利二十余件。曾獲得美國激光協會ICALEO國際會議最佳論文獎，并曾擔任美國激光協會ICAELO國際會議激光納米加工與制造的分會主席，POEM國際會議激光分會的共主席，目前擔任中國機械工程學會極端制造分會委員會委員、《中國激光》和《光電子學前沿》（FOE）編委、《極端制造》（IJEM）青年編委，以及湖北和武漢激光學會副理事長。

基于3D打印技術的材料熱物性調控

3D printed fiber sockets for plug and play micro-optics

doi: https://doi.org/10.1088/2631-7990/abc674

關于期刊

《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是極端制造領域的首本國際期刊，致力于發表極端制造相關領域的高質量最新研究成果，文章形式主要為原創性和綜述性文章。目前該刊共設四大欄目：材料與能場相互作用、工藝方法、極端功能材料/結構/器件、測量與系統。IJEM現已被SCI、EI、Scopus、CNKI等數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。同時入選“中國最具國際影響力學術期刊”（TOP 5%）。鉆石開放獲取，免收作者版面費，雙匿評審。

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撰稿：作者 編輯：范珂艷 審核：關利超