相信絕大多數(shù)人對“3D打印”這個概念并不會感到陌生，因?yàn)樽烂婕壖矣眯⌒?D打印機(jī)早已走入了千家萬戶，也有眾多的學(xué)校或機(jī)構(gòu)購買了專業(yè)級3D打印機(jī)供學(xué)生或用戶使用，以3D打印機(jī)為核心的教育課程也如雨后春筍般在各個大城市中出現(xiàn)。

從各個方面看，目前的3D打印都已經(jīng)進(jìn)入到了細(xì)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打印機(jī)，也有較為昂貴的用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的大型工業(yè)級3D打印機(jī)；從打印用到的材料來看，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打印機(jī)

不過，由于通常的3D打印機(jī)都是基于“分層制造”的原理工作的，因此無論是桌面級還是工業(yè)級，3D打印的物體層的精度很受限，存在所謂的“臺階效應(yīng)”，這使得3D打印機(jī)很難制造低粗糙度、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)則從另一個角度出發(fā)，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打印，準(zhǔn)確地說應(yīng)該稱為“雙光子激光直寫技術(shù)”，也被稱為“雙光子聚合技術(shù)（Two-photon polymerization （2PP） technology）”。

要準(zhǔn)確描述這項(xiàng)技術(shù)，首先要了解清楚什么叫做“雙光子吸收效應(yīng)”。

雙光子吸收效應(yīng)

物質(zhì)可以對光產(chǎn)生吸收，這一點(diǎn)我們非常熟悉。有一些造物技術(shù)就是基于這一點(diǎn)，例如，用紫外光照射光敏聚合物，被照射到的地方逐漸產(chǎn)生固化，由液態(tài)、膠態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)的一個常見應(yīng)用就是牙科診所中用光敏物質(zhì)填補(bǔ)牙齒。

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(jìn)行吸收的，一次只能吸收一個光子。但是在有些特殊物質(zhì)中，由于存在特殊的能級躍遷模式，也會出現(xiàn)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(yīng)”。

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

通常情況下，物質(zhì)與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體對特定波長的光透過率吸收率是一定的，這個比例并不會隨著光強(qiáng)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)會快速加強(qiáng)。

線性和非線性吸收效應(yīng)曲線示意圖

借助于這種非線性的雙光子吸收效應(yīng)，科學(xué)家將微納尺度的3D打印變成了現(xiàn)實(shí)。

只有當(dāng)光強(qiáng)增強(qiáng)到一定值，才會出現(xiàn)較為明顯的雙光子吸收效應(yīng)，利用這一點(diǎn)，我們可以通過將激光聚焦的方式，將反應(yīng)區(qū)域局限在焦點(diǎn)附近極小的位置。并且通過精密移動臺納米量級的移動，使該焦點(diǎn)在光敏物質(zhì)內(nèi)移動，聚焦的微納光斑經(jīng)過的位置，光敏物質(zhì)產(chǎn)生變性和固化，因此可以打印任意形狀的3D物體。

使用這種方式打印的微納物體最大的特點(diǎn)是精度高，理論精度可以達(dá)到100nm作用，這是傳統(tǒng)3D打印方法難以企及的。

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

(責(zé)任編輯：admin)

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