不可思議的微納造物技術：很大程度改善粗糙度和精度

　　相信絕大多數人對「3D列印」這個概念並不會感到陌生，因為桌面級家用小型3D印表機早已走入了千家萬戶，也有眾多的學校或機構購買了專業級3D印表機供學生或用戶使用，以3D印表機為核心的教育課程也如雨後春筍般在各個大城市中出現。

　　從各個方面看，目前的3D列印都已經進入到了細分市場的階段：從價格上來看，有較為便宜的家用桌面級小型3D印表機，也有較為昂貴的用於實際工業生產的大型工業級3D印表機；從列印用到的材料來看，有的是樹脂、塑料，有的是金屬，有的甚至用黏土。

以黏土為原材料的3D印表機

　　不過，由於通常的3D印表機都是基於「分層製造」的原理工作的，因此無論是桌面級還是工業級，3D列印的物體層的精度很受限，存在所謂的「台階效應」，這使得3D印表機很難製造低粗糙度、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從另一個角度出發，很大程度上改善了粗糙度和精度的問題，它被稱為雙光子3D列印，準確地說應該稱為「雙光子激光直寫技術」，也被稱為「雙光子聚合技術（Two-photon polymerization （2PP） technology）」。

　　要準確描述這項技術，首先要了解清楚什麼叫做「雙光子吸收效應」。

　　雙光子吸收效應

　　物質可以對光產生吸收，這一點我們非常熟悉。有一些造物技術就是基於這一點，例如，用紫外光照射光敏聚合物，被照射到的地方逐漸產生固化，由液態、膠態轉化為固態。這項技術的一個常見應用就是牙科診所中用光敏物質填補牙齒。

　　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吸收的，一次只能吸收一個光子。但是在有些特殊物質中，由於存在特殊的能級躍遷模式，也會出現同時吸收多個（幾個甚至幾十個）光子的情況，這就是「多光子吸收效應」。

　　但該效應的條件非常苛刻，往往要求特定的物質和極高的能量密度。雙光子吸收效應是該類效應中的一種典型代表。在雙光子吸收過程中，材料分子由基態躍遷至激發態，中間經過一個虛能級完成。

　　通常情況下，物質與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體對特定波長的光透過率吸收率是一定的，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，該效應會快速加強。

線性和非線性吸收效應曲線示意圖

　　藉助於這種非線性的雙光子吸收效應，科學家將微納尺度的3D列印變成了現實。

　　只有當光強增強到一定值，才會出現較為明顯的雙光子吸收效應，利用這一點，我們可以通過將激光聚焦的方式，將反應區域局限在焦點附近極小的位置。並且通過精密移動台納米量級的移動，使該焦點在光敏物質內移動，聚焦的微納光斑經過的位置，光敏物質產生變性和固化，因此可以列印任意形狀的3D物體。

　　使用這種方式列印的微納物體最大的特點是精度高，理論精度可以達到100nm作用，這是傳統3D列印方法難以企及的。

雙光子激光直寫技術原理示意圖（https：//3dprintingindustry.com/news/77339-77339/）

　　科研上的應用

　　這種微納尺度的3D印表機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以往只能夠進行模擬模擬的微納結構，通過實際實驗檢驗它們的性質。尤其是在光學研究領域，出現了許多以雙光子激光直寫技術為基礎的研究工作。

　　雙光子直寫技術加工的三維光子晶體（http://photonhive.com/what-cool-things-you-can-do-with-direct-laser-writing-a-k-a-3d-printer/）

　　上圖是科研中雙光子激光直寫技術實際應用的一個例子，科學家使用該技術製作了三維的光子晶體。光子晶體（Photonic Crystal）是一種人工微納結構，它由不同折射率的介質周期性排列而成，具有特殊的光子帶隙，因而擁有很多奇異的光學性質。這種微納周期結構加工起來非常困難，但使用雙光子激光直寫技術，則可以非常方便的加工出來。

　　除了光子晶體，雙光子激光直寫技術還用於加工微納尺度的光學元件，下圖就是這樣一個例子。

　　雙光子直寫技術製作的內窺鏡（http://www.nature.com/nphoton/journal/v10/n8/full/nphoton.2016.121.html）

　　我們都知道，內窺鏡技術為醫學診斷、工業探傷等領域提供了強力的手段，對於內窺鏡，相信大家最為熟悉的就是胃鏡。醫生將通過光導纖維相連的內窺鏡通過食道插入胃部，可以藉此觀察胃部圖像，對檢測黏膜損傷、內潰瘍、胃出血等癥狀提供直接證據。

　　2016年Nature Photonics發表了一篇文章，科學家利用雙光子激光直寫技術在光纖頂端不到一百多微米的尺度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。

　　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。單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的光路設計圖 b。成像效果模擬模擬圖 c。單透鏡、雙透鏡和三透鏡組剖面的電子顯微鏡照片 d。實驗實際得到的成像效果圖

　　藝術領域的應用

　　當然，除了科研領域外，該項技術越來越多的被利用在藝術領域。

　　2014年，南非藝術家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學家們合作，利用該技術製成了世界上最小的雕塑。

　　首先他們通過三維掃描技術掃描並記錄了人體模特身體的三維空間信息，然後將其轉化為空間坐標。再然後，他們利用雙光子激光直寫技術，在一根針的針孔里製作了該人體模特的微納雕塑，這是世界上最小的人體雕塑，並獲得了吉尼斯世界紀錄的正式認證。

雙光子激光直寫技術製作的世界最小的人體雕塑（http://www.jontyhurwitz.com/nano）

　　其他利用該項技術加工的微納雕塑作品也有很多，例如下圖就是利用勃蘭登堡門的模型。

　　利用雙光子直寫技術製作的勃蘭登堡門模型（http://phys.org/news/2010-12-laser-3d-submicron.html）

　　也有人利用這項技術製作了虛擬人物的雕塑，還有人製作了微納尺度賽車和房子的模型等等。總之，人們可以在此基礎上充分放飛自己的想像力，製作各種各樣的藝術品。唯一美中不足的是，這些藝術品往往都需要在電子顯微鏡下觀看。

　　利用雙光子激光直寫技術加工的虛擬人物頭像（http://www.innovations-report.com/html/report/materials-science/material-solutions-inside-and-on-top.html）

　　利用雙光子激光直寫技術製作的賽車和房屋模型（https：//www.photonics.com/Article.aspx？PID=1&；VID=101&；IID=615&；AID=50848）

　　不足之處

　　雖然雙光子激光直寫技術在微納尺度加工領域具有極大的優勢，但缺點也同樣明顯。

　　用於雙光子激光直寫技術的光敏物質種類很有限，往往只能加工光刻膠等特殊物質；與老式膠片拍攝圖像的過程有些類似，光敏物質經過雙光子激光直寫後，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；由於加工精度高，而且往往是單點掃描加工，因此速率較慢，雖然不少改進版本的產品加入了振鏡系統，可以提高加工效率，但相比之下仍耗時許久，再加上高精度平移台要藉助壓電陶瓷實現，行程較短，雖然可以通過機械移動台進行拼接，但是拼接處加工精度會陡然降低，因此該技術目前尚難以加工大尺度的產品。

　　此外，這項技術能夠成功的關鍵很大程度上是納米級移動精度的三維平移台，因此運動模塊極其精密且昂貴，更需要相應的檢測和控制系統，下圖是一台典型雙光子直寫儀的基本配置，包括基本光學系統、振鏡模塊、定位系統（包括機械移動和壓電陶瓷移動）、自動聚焦顯微系統、高精度顯微相機和配套軟體，可以看出，這樣一套系統需要從軟體到硬體的深度開發，所以通常設備價格高昂。

　　典型的雙光子直寫儀基本配置（http://www.nanoscribe.de/en/products/photonic-professional-gt/）