Professor Wei Xiongs grupp, från Wuhan National Laboratory for Optoelectronics vid Huazhong University of Science and Technology, föreslår en banbrytande höghastighetsteknik för multi-fotonpolymerisationslitografi med en rekordhög 3D-utskriftshastighet på 7,6 × 10 7 voxel s −1 , vilket är nästan en storleksordning högre än tidigare skanningsmultifotonlitografi (MPL).
Publicerad i International Journal of Extreme Manufacturing (IJEM ), den här tekniken, baserad på akusto-optisk skanning med spatial-switching (AOSS), skriver inte bara ut komplexa 3D-mikronanostrukturer med en noggrannhet på 212 nm, utan uppnår också en aldrig tidigare skådad 3D-utskriftshastighet på 7,6 × 10 7 voxel/s. Det är som en konstnär som målar ett självporträtt på bara fem minuter, där varje intrikat detalj, ner till varje hårstrå, blir levande till liv.
"Bearbetningshastighet och bearbetningsnoggrannhet är viktiga prestandaparametrar för att utvärdera mikro-nano tredimensionell utskriftsteknik, och denna teknologi har utmärkta prestanda i båda aspekterna", säger professor Wei Xiong. "Denna forskning ger en möjlig teknisk väg för att uppnå storskalig nano-3D-utskrift i framtiden."
Precisionstillverkningen av invecklade och komplexa tredimensionella mikro-nano-strukturer fungerar som en grundläggande hörnsten för många framstående discipliner. I ljuset av dess inneboende kapacitet för äkta tredimensionell digital tillverkning och bearbetningsupplösning i nanoskala bortom diffraktionsgränsen, har tvåfotonlitografi (TPL) konsekvent förblivit en fokuspunkt för forskning inom området.
Den har nu hittat omfattande tillämpningar inom banbrytande domäner, inklusive tredimensionellt metamaterial, mikrooptiska, mikroelektroniska komponenter och biomedicinsk ingenjörskonst.
Men trots dess höga upplösningsförmåga i nanoskala har den begränsade bearbetningshastigheten för TPL ständigt begränsat dess potential. Till exempel kan tryckningen av ett enkelt mynt ofta sträcka sig över dussintals timmar, en tidsram som helt klart är otillräcklig för industriella produktionsapplikationer.
Sedan började Jiao en serie experimentella studier och fann så småningom den akusto-optiska deflektorn (AOD) som mittpunkten i processen för att öka utskriftshastigheten.
Traditionell skanningsbaserad TPL använder mekaniska skanningsmetoder som galvanometriska speglar, men deras skanningshastighet begränsas av tröghet. Däremot kan den akusto-optiska deflektorn (AOD) uppnå tröghetsfri akusto-optisk skanning, vilket resulterar i en betydande ökning av hastigheten.
"Rörelsen hos en bil i rörelse inkluderar vanligtvis sekventiella handlingar såsom bromsning, vändning och efterföljande acceleration, vilket i sig tar avsevärd tid på grund av tröghetens inverkan", säger Binzhang Jiao (Ph.D. 22), den förste. författare till tidningen.
En galvanometer med tröghet är precis som en bil, där accelerations- och retardationsprocesser är tidskrävande. Å andra sidan är AOD inte begränsad av tröghet, eftersom den förlitar sig på ljudvågor för skanning. Jämfört med traditionell mekanisk spegelskanning har detta tillvägagångssätt gett en 5 till 20-faldig ökning av laserskanningshastigheten.
Jiao har framgångsrikt utvecklat en olinjär signalmoduleringsteknik för AOD, som säkerställer att punktstorleken närmar sig diffraktionsgränsen under höghastighets akusto-optisk skanning. Samtidigt har integrationen av diffraktiva optiska element (DOE) möjliggjort multifokal parallell akusto-optisk skanning, vilket ytterligare förbättrar bearbetningsgenomströmningen. De rumsliga områdena för multifokalfläckarna styrs oberoende av den rumsliga optiska omkopplaren, vilket möjliggör tillverkning av icke-periodiska strukturer.
De demonstrerade ett multifotonlitografisystem (MPL) med åtta fokalpunkter, som uppnådde en voxelstorlek på 212 nm och en voxelutskriftshastighet på 7,6 × 10 7 voxel/s.
"Flera fokuspunkter kan skrivas ut separat, som om en person hade åtta händer", sa Jiao. Denna voxelutskriftshastighet är 8,4 gånger snabbare än den snabbaste mekaniskt skannade MPL-metoden som rapporterats tidigare, och 38 gånger snabbare än den snabbaste diffraktiva skannade MPL-metoden som rapporterats. Jämfört med kommersialiserade MPL-metoder kan utskriftshastigheten för denna teknik förbättras med upp till 490 gånger.
Även om det fortfarande är en lång väg att gå från labb till fabrik, uttrycker teamet optimism om framtiden för AOSS. "För att öka den akusto-optiska skanningens räckvidd kan skanningsvinkeln för den akusto-optiska skanningen ökas i framtiden. Följaktligen kan en högre akusto-optisk skanningshastighet och ett ökat antal brännpunkter fortsätta att öka genomströmningen av AOSS," sa prof. Wei Xiong.
Mer information: Binzhang Jiao Jiao et al, Acousto-optic Scanning Spatial-switching Multiphoton Lithography, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace0a7
Tillhandahålls av International Journal of Extreme Manufacturing
