雙光子聚合3D打印技術(shù)基于非線性光學(xué)中的雙光子吸收效應(yīng)——當(dāng)飛秒激光脈沖被緊聚焦到光敏樹脂內(nèi)部時(shí)，焦點(diǎn)處的光強(qiáng)密度足以激發(fā)雙光子吸收，使樹脂在焦點(diǎn)體積內(nèi)發(fā)生聚合固化。由于雙光子吸收概率與光強(qiáng)的平方成正比，聚合反應(yīng)被嚴(yán)格限制在焦點(diǎn)中心的小體積內(nèi)（體素），從而突破了光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)分辨率的三維結(jié)構(gòu)制造。這項(xiàng)技術(shù)是目前少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)百納米級(jí)精度、任意復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制造的增材制造方法。
一、國產(chǎn)裝備的技術(shù)進(jìn)展
近年來，國產(chǎn)雙光子聚合3D打印裝備在多個(gè)技術(shù)維度上取得了進(jìn)展。華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心熊偉、高輝團(tuán)隊(duì)提出的“無慣量聲光掃描”技術(shù)路線，通過聲光偏轉(zhuǎn)器替代傳統(tǒng)機(jī)械掃描振鏡，大幅提升了打印速度——制造速度比當(dāng)前主流商業(yè)產(chǎn)品有顯著提升。該成果在2025年第50屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展上獲得金獎(jiǎng)。
在打印通量方面，浙江大學(xué)匡翠方教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“萬通道3D納米激光直寫光刻裝置”實(shí)現(xiàn)了多通道光場(chǎng)調(diào)控的重大突破。該裝置通過數(shù)字微鏡協(xié)同微透鏡陣列，生成超過一萬個(gè)可獨(dú)立控制的激光焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了2.39×10?體素/秒的打印速率，加工精度可達(dá)亞30納米。這一技術(shù)路徑為高精度、大面積微納結(jié)構(gòu)的高通量制造提供了新途徑。
在材料體系方面，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備了基于聚氨酯丙烯酸酯的彈性體光刻膠，通過調(diào)控雙光子3D打印路徑的稀疏度與螺旋度，實(shí)現(xiàn)了單一彈性體材料超過2.3倍的剛度調(diào)控。另有研究將雙光子聚合技術(shù)與金屬離子配位機(jī)制相結(jié)合，通過后續(xù)高溫?zé)Y(jié)去除有機(jī)物，制備出了特征尺寸410納米的金屬氧化物微納三維結(jié)構(gòu)。電場(chǎng)與雙光子聚合工藝的耦合也被用于三維結(jié)構(gòu)色微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建。
二、技術(shù)瓶頸與材料挑戰(zhàn)
盡管進(jìn)展顯著，國產(chǎn)雙光子聚合3D打印仍面臨若干瓶頸。打印效率是首要制約因素——逐點(diǎn)掃描的本質(zhì)限制了單位時(shí)間的加工面積，雖然多焦點(diǎn)并行方案有所改善，但與面投影式3D打印相比仍有差距。材料體系的局限性同樣突出，當(dāng)前適用于雙光子聚合的光敏樹脂種類有限，力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和光學(xué)特性有待進(jìn)一步拓展。此外，設(shè)備成本和系統(tǒng)復(fù)雜度也限制了該技術(shù)在更廣泛工業(yè)場(chǎng)景中的普及。
三、應(yīng)用前景
雙光子聚合3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程、微光學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。在生物醫(yī)學(xué)方向，該技術(shù)可用于制造微針陣列、細(xì)胞培養(yǎng)支架和微流控芯片；在光學(xué)領(lǐng)域，可制備微透鏡、衍射光學(xué)元件和光纖端面功能結(jié)構(gòu)。隨著打印效率的提升和材料體系的豐富，該技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室研究向更廣泛的工程應(yīng)用延伸。
更新時(shí)間：2026-06-22
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