香港中文大學和美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）等科研機構的研究人員開發了一種新的納米級3D打印技術-飛秒投影雙光子光刻（FP-TPL），該技術能夠在不犧牲分辨率的情況下實現微小結構的高速制造，與已有的雙光子光刻（TPL）技術相比，新技術的打印速度快一千倍。
2019年10月4日的Science 雜志，刊登了研究團隊的論文"Scalable submicrometer additive manufacturing"。
微型零部件 規模化生產
研究團隊多年來一直致力于提升雙光子光刻納米級3D打印技術的打印速度，高速3D打印技術FP-TPL的成功開發，來自于一種不同的聚焦光的方法，即利用時域特性生產出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。
飛秒激光的使用使研究小組能夠保持足夠的光強度，以觸發雙光子過程聚合，同時保持較小的點尺寸。在FP-TPL技術中，飛秒脈沖經過光學系統時會被拉伸和壓縮，以實現時間聚焦。該過程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征。
現有的納米級3D打印技術使用直徑通常在700到800納米左右的單點高強度光，將光敏聚合物材料從液體轉換為固體，在這一技術中，光點需要掃描整個要制造的結構，因此打印速度受到了限制，也限制了這類技術在大規模生產中的應用。
在新納米3D打印技術FP-TPL 的研究中，研究人員沒有同時使用多個單光點，而是投影了100萬個點，3D構建過程是通過整個投影光平面實現的，而不是通過掃描的單個點來創建的。也就是說，在打印過程中FP-TPL 技術不是通過聚焦一個點進行打印對象構建的，而是擁有一個可以被圖案化為任意結構的整個聚焦平面來實現的。
研究人員使用類似于投影儀中使用的數字掩模來創建圖像，從而投影出100萬個點。每一個打印層都是由35飛秒的強光束形成的，在投影儀和掩模控制下逐層進行打印。在這種情況下，數字掩模控制飛秒激光在前驅體液態聚合物材料中產生所需的光圖案，高強度光會引起材料的聚合反應，將液體變成固體從而形成3D結構。
FP-TPL技術能夠在8分鐘內打印出過去需要花費數小時才能夠完成打印的結構。盡管速度得到了顯著提升，但FP-TPL 技術在實現高速3D打印與保證分辨率之間做了更好的平衡。以往的3D打印技術在打印速度高的情況下，分辨率會受到影響，FP-TPL 3D打印技術的特點是，打印速度得到了顯著提升，同時能夠實現的深度分辨率達175納米，優于現有技術，并且能夠實現現有技術難以實現的90度懸垂的結構。
這一技術與消費級3D打印技術不同的是，FP-TPL技術深入到了液體前驅體材料中，可以制造出僅靠表面加工無法生產的結構，例如具有90度的懸垂結構，該結構長寬比與特征尺寸的長寬比超過1,000：1。在FP-TPL 3D打印過程中，光可以被投射到材料中所需的任何深度。
在實驗過程中，研究人員在小于100微米*100微米的基底中打印了1毫米長的懸垂結構，由于液體和固體的密度大約相同，打印速度快，懸垂結構在制造時沒有塌陷。除了懸垂結構，研究人員還打印了微柱、長方體、線和螺旋等結構對FP-TPL技術進行驗證。打印材料為常規的聚合物前驅體，但研究人員認為該技術也適用于制造前驅體聚合物生成的金屬和陶瓷。
研究人員表示，FP-TPL技術的潛在應用是，進行微小零部件的規模化生產，例如生產智能手機中的組件，以及生物支架、柔性電子器件、電化學界面、微光學元件、機械和光學超材料以及其他功能性微結構和納米結構的部件。
