揭秘不可思議的微納造物技術(shù)：雙光子3D打印
經(jīng)過多年媒體的熏陶，相信絕大多數(shù)人都已經(jīng)聽過3D打印這個概念。不少人甚至認(rèn)為，3D打印技術(shù)將作為重要技術(shù)基石之一，把人類的工業(yè)文明推進到4.0時代。目前的3D打印也已經(jīng)進入到了細分市場的階段，有家用桌面級的小型3d打印機，也有工業(yè)生產(chǎn)的大型工業(yè)級3D打印機；打印材料有的是塑料，有的是金屬，甚至還有黏土。
圖1 以黏土為基礎(chǔ)材料的3D打印作品（筆者2015年拍攝于第二屆世界3D打印博覽會）
但無論是桌面級還是工業(yè)級，常見的3D打印機工作原理都是分層制造，這使得層與層之間的精度很受限，存在所謂的“臺階效應(yīng)”。這使得3D打印機難以制造高精度的器件，如各種光學(xué)元件、微納尺度的結(jié)構(gòu)器件等等。
今天要給大家介紹的技術(shù)則完美的解決了這個問題，它被稱為雙光子3D打印，其實專業(yè)名稱應(yīng)該是雙光子激光直寫技術(shù)。為了理解這項技術(shù)，首先要知道什么叫做“雙光子吸收效應(yīng)”。物質(zhì)對光的吸收作用我們非常熟悉，以此為基礎(chǔ)的造物技術(shù)也很常見，比如用紫外光照射一些光敏聚合物質(zhì)，被光照射到的地方就會固化，成為固態(tài)的物體。如果您曾經(jīng)利用光敏填充膠補過牙齒，就會有更直觀的感受了。
中學(xué)物理中我們曾經(jīng)學(xué)到過，絕大多數(shù)物質(zhì)對光的吸收都是將一個光子作為基礎(chǔ)單位進行的吸收的，一次只能吸收一個光子。但是實際上，極少數(shù)情況下，由于物質(zhì)中存在特殊的能級躍遷模式，也會出現(xiàn)同時吸收兩個光子的情況，這就是“雙光子吸收效應(yīng)”。但雙光子吸收的條件非常苛刻，它要求特定的物質(zhì)和極高的能量密度。
通常情況下，物質(zhì)與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體，如一塊玻璃或一杯水，對特定波長的光透過率是一定的，吸收率也是一定的，這個比例并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(yīng)，即隨著光能量密度的增加，該效應(yīng)會隨之加強。
圖2 線性和非線性吸收示意曲線
這種非線性的雙光子吸收效應(yīng)使得微納尺度的3D打印成為可能。既然只有當(dāng)光強達到一定值，才會出現(xiàn)明顯的雙光子吸收效應(yīng)，那么若是將激光聚焦，則可以將反應(yīng)區(qū)域局域在焦點附近極小的位置。通過納米級精密移動臺，使得該焦點在光敏物質(zhì)內(nèi)移動，焦點經(jīng)過的位置，光敏物質(zhì)變性、固化，因此可以打印任意形狀的3D物體。
圖3 雙光子激光直寫技術(shù)原理示意圖
（German Researchers Develop 3D Printing Technique Capable of Printing Micron-Scale Optics）
這種微納尺度的3D打印機可以用來做什么呢？實際上，它給科學(xué)家提供了一種強有力的手段，來設(shè)計和加工多種多樣的微納結(jié)構(gòu)。
圖4 利用雙光子直寫技術(shù)加工的三維光子晶體
（WHAT COOL THINGS YOU CAN DO WITH DIRECT LASER WRITING (A.K.A 3D PRINTER)?）
圖4科研中的一個例子，科學(xué)家利用雙光子直寫技術(shù)制作了三維的光子晶體。光子晶體（Photonic Crystal）是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)，具有很多奇異的光學(xué)性質(zhì)。但由于單元結(jié)構(gòu)極其微小，加工起來非常困難。使用雙光子直寫則可以非常方便地加工出這種周期性排列的微納結(jié)構(gòu)。
圖5 利用雙光子直寫技術(shù)在光纖頂端加工的內(nèi)窺鏡
（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）
圖5則是雙光子直寫技術(shù)應(yīng)用在科研中的另一個例子。內(nèi)窺鏡技術(shù)為工業(yè)檢測和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域提供了極為強力的手段。大家最為熟悉的就是胃鏡，醫(yī)生將一束長長的光導(dǎo)纖維通過食道插入胃部，則可以觀察胃部圖像，從而直觀判斷出胃壁的狀態(tài)，對檢測黏膜損傷、內(nèi)潰瘍、胃出血等癥狀提供直接證據(jù)。2016年，科學(xué)家利用雙光子直寫技術(shù)在光纖頂端不到200微米的范圍內(nèi)加工了成像效果良好的透鏡組，制成了目前世界上最小的內(nèi)窺鏡，如圖6所示。此項工作筆者會在后續(xù)系列文章中詳細介紹。
圖6 雙光子直寫技術(shù)加工的單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的成像效果
a.光路設(shè)計圖 b.成像效果仿真模擬圖 c.單透鏡、雙透鏡和三透鏡組剖面電子顯微鏡圖 d.實驗得到的成像效果圖
（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）
除了科研領(lǐng)域，該項技術(shù)越來越多的被利用在藝術(shù)領(lǐng)域。
圖7 模特三維建模過程（TRUST）
2014年，藝術(shù)家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學(xué)家合作，利用雙光子直寫技術(shù)制成了世界上最小的雕塑。他們首先通過三維掃描技術(shù)記錄模特的三維空間信息，然后將此信息轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)，導(dǎo)入到軟件當(dāng)中。然后他們利用雙光子直寫技術(shù)，在一根針上制作了該人體模特的雕塑，不出意外的話，這應(yīng)該是世界上最小的人體雕塑：TRUST。
圖8 雙光子激光直寫技術(shù)制作的世界上最小的人體雕塑（TRUST）
其實利用雙光子直寫技術(shù)加工的微納雕塑作品很多，例如圖9就是利用該技術(shù)制作的泰姬陵模型。
圖9 利用雙光子直寫技術(shù)制作的泰姬陵模型（TAJ）
當(dāng)然了，雖然雙光子激光直寫技術(shù)在微納尺度加工領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢，但并非全無缺點：用于雙光子激光直寫技術(shù)的光敏物質(zhì)種類很有限；與膠片拍攝圖像類似，而且這種光敏物質(zhì)往往也需要顯影和定影等過程，將打印的3D物體固定下來，因此加工過程更為繁瑣；微納尺度的加工耗時許久，因此難以利用它加工大尺度的產(chǎn)品。
圖10 典型的雙光子直寫儀基本配置（Nanoscribe）
而且從上文敘述中也可以看出，這項技術(shù)能夠成功的關(guān)鍵很大程度上是納米精度的移動臺，因此運動模塊極其精密且昂貴，更需要相應(yīng)的檢測和控制系統(tǒng)。圖10是一臺典型雙光子直寫儀的基本配置，從軟件到硬件需要完美配合，所以往往造價不菲。
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