双激光方法可降低高分辨率3D打印的成本

研究人员开发出一种新的双光子聚合技术，利用两束激光来三维打印复杂的高分辨率结构。这一进展可以降低这种三维打印工艺的成本，帮助它在各种应用中得到更广泛的使用。

双光子聚合是一种先进的增材制造技术，传统上使用飞秒激光以精确的三维方式聚合材料。虽然这种工艺在制造高分辨率微结构方面效果很好，但由于飞秒激光器价格昂贵，增加了打印部件的成本，因此并没有广泛应用于制造领域。

来自普渡大学的研究团队负责人Xianfan Xu说：“我们将成本相对较低的发射可见光的激光器与发射红外脉冲的飞秒激光器结合起来，以降低飞秒激光器的功率要求。"这样，在给定飞秒激光功率的情况下，打印吞吐量就可以提高，从而降低打印单个零件的成本”。

研究人员在《光学快报》（Optics Express）杂志上表示，与单独使用飞秒激光相比，双激光方法可将飞秒激光3D打印所需的功率降低多达50%。

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激光阈值功率∼50% fs 的3D打印结构。比例尺：5μm。

Xu说：“高分辨率三维打印有很多应用，包括三维电子设备、生物医学领域的微型机器人以及组织工程的3D结构或支架。"我们新颖的3D打印方法可以在许多现有的飞秒激光3D打印系统中轻松实现。”

找到正确的激光平衡

这项新工作是研究团队不断提高双光子聚合打印速度和降低打印成本的努力的一部分，双光子聚合是利用双光子吸收现象来精确固化或凝固光敏材料。

Xu说：“在传统的双光子聚合印刷过程中，飞秒激光首先用于启动一个光化学过程，在印刷开始之前减少材料中的抑制物种。我们使用了一种低成本激光器来实现这一目的”。

新方法结合了532纳米纳秒激光的单光子吸收和800纳米飞秒激光的双光子吸收。为使其发挥作用，研究人员必须在两种激光的打印和抑制作用之间找到适当的平衡。

为此，他们创建了一个新的数学模型，以帮助他们了解相关的光化学过程，并计算双光子和单光子激发过程的综合效应。他们还利用该模型确定了控制飞秒激光功率降低程度的主要过程，同时还能获得理想的印刷效果。

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一种新的双光子聚合技术将成本相对较低的纳秒脉冲激光器与功率较低的飞秒激光器相结合，从而能以较低的激光功率进行复杂的高分辨率结构的3D打印。

打印精细结构

在对新方法进行微调后，他们使用这种方法以较低的飞秒激光功率打印出了各种二维和三维结构。其中包括尺寸仅为 25 × 25 × 10 μm 的精细木桩，以及微米级的扣球、手性结构和三叶形结。实验结果表明，新方法将二维结构所需的飞秒激光功率降低了80%，将3D结构所需的飞秒激光功率降低了约50%。

Xu 说：“这种新的打印方法可能会对制造技术产生影响，影响现在和未来消费电子和医疗保健领域的设备开发。研究人员目前正在努力进一步提高打印速度，降低3D打印成本。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-07-dual-laser-approach-high-resolution.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1364/OE.525826