2015年10月，習(xí)大大在訪問英國期間參觀了著名的英國帝國理工學(xué)院，得到了學(xué)院楊廣中教授贈送的特殊禮物－－打印在一塊正方形硅片上的一段只有100微米長的中國長城。這種神奇的技術(shù)就是雙光子3D打印技術(shù)，使用材料為光敏材料。聽著離普通人很遙遠是吧？實際上，我國在雙光子3D打印技術(shù)方面領(lǐng)先世界。據(jù)了解，中科院在雙光子3D打印領(lǐng)域已經(jīng)開展了十幾年的研究，并取得了一系列研究成果。
雙光子3D打印（Two－photonpolymerization，TPP），學(xué)名為雙光子激光直寫技術(shù)、雙光子聚合光固化成形技術(shù)。常見的3D打印機工作原理都是分層制造，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。而雙光子3D打印技術(shù)的出現(xiàn)有望完美解決這個問題。
習(xí)近平總書記在倫敦皇家學(xué)院收到的3D打印長城（長度100微米）
為了幫助大家更好地理解這項技術(shù)，首先要知道什么叫做“雙光子吸收效應(yīng)。”SLA／DLP或是PolyJet技術(shù)所利用的都是單光子聚合，將一個光子作為基礎(chǔ)單位進行吸收，一次只能通過一個光子。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。只有在高度聚焦的激光中心部位，才會有足夠高的輻照度來確保有兩個光子同時被吸收。
單光子聚合（左）與雙光子聚合（右）對比示意圖（圖片來源：南極熊）
TPP雙光子3D打印技術(shù)原理示意圖（圖片來源：南極熊）
利用了TPP雙光子3D打印技術(shù)，打印精度可以達到納米級。通過將激光聚焦在光敏樹脂內(nèi)，計算機控制移動納米級精密移動臺，焦點經(jīng)過的位置，光敏樹脂會變性、固化，從而可以打印任意形狀的三維物體。由于雙光子聚合發(fā)生的固化只發(fā)生在激光聚焦的光敏樹脂槽中央，而不是像SLA／DLP一樣發(fā)生在樹脂槽液面或者樹脂槽底部，因此，使用TPP技術(shù)的3D打印機無需將打印件從樹脂槽底部剝離，也無需安裝刮刀進行光敏樹脂液面的涂覆。
TPP雙光子3D打印機（圖片來源：南極熊）
TPP技術(shù)是現(xiàn)在市面精度最高的3D打印技術(shù)。TPP技術(shù)廣泛應(yīng)用于微光學(xué)，微電子，微流控，微器件等領(lǐng)域，它給3D打印從業(yè)者和科學(xué)家提供了一種強有力的解決方案，來設(shè)計和加工多種多樣的微納結(jié)構(gòu)。
TPP技術(shù)最典型的應(yīng)用是在科研領(lǐng)域。
光子晶體（Photonic Crystal）的單元結(jié)構(gòu)極其微小，加工起來非常困難。使用TPP技術(shù)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)。
利用TPP技術(shù)加工的三維光子晶體
科學(xué)家利用TPP技術(shù)在光纖頂端加工的內(nèi)窺鏡
TPP技術(shù)也被應(yīng)用在藝術(shù)領(lǐng)域。2014年，藝術(shù)家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學(xué)家合作，利用TPP技術(shù)在一根針上制成了世界上最小的雕塑。
利用TPP技術(shù)打印的雕塑作
下圖為利用TPP技術(shù)加工的微納雕塑作品
雙光子3D打印技術(shù)制作的泰姬陵模型
雙光子3D打印技術(shù)制作的F1賽車
利用TPP技術(shù)制作的勃蘭登堡門模型
雙光子3D打印技術(shù)制作的自由女神像
尤達大師
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。與膠片拍攝圖像類似，TPP的光敏材料需要進行顯影和定影等過程，從而將打印的3D物體固定下來，因此加工過程更為繁瑣。
從上文敘述中可以看出，這項技術(shù)能否成功的關(guān)鍵很大程度上取決于納米精度的移動臺，因此運動系統(tǒng)極其精密且昂貴。下圖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。
典型的TPP打印系統(tǒng)基本配置
