本发明专利技术公开一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印方法和装置。该方法将连续光整形及分束后，得到两束相同的准直激光光片，并对称入射在样品池中完全重叠为一个均匀光薄片，该光薄片区域引发剂被激发到活性态，通过另一束宽带光照射活性态引发剂可引发聚合反应，该宽带光从正交方向入射到光薄片，避免了聚合反应的累积效应，可获得高洁净度的刻写结构，光薄片未被宽带光照射的区域不发生聚合反应，宽带光光场结构高速切换，可进行任意结构的刻写，宽带光在活性薄片中实现时空同步聚焦，轴向功率梯度大，具有高轴向分辨率。该方法与装置可实现高洁净度高轴向分辨率的三维复杂结构高通量刻写，可应用于超分辨光刻等领域。
【技术实现步骤摘要】
基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印方法和装置
本专利技术属于微纳光学
及光学元件加工制造领域，具体地，涉及一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印方法和装置。
技术介绍
采用双光子直写技术进行刻写时，激光经物镜聚焦并注入到样品池中，除了焦点位置达到功率阈值发生聚合反应外，样品池中凡是有光透过的区域，都会引发极小程度的聚合反应，该过程由于光功率较低，因此并不明显，但随着时间的累积，聚合反应也持续累积，从而导致非目标刻写区域的明显聚合，使得刻写结构的洁净度大幅度降低。文献[Nature,2020,588(7839):620-624]首先通过对375nm连续光进行整形，并在样品池中得到该连续光的光薄片，光片所在区域内的引发剂被激发到活性态，同时数字光投影仪从正交方向投射一束中心波长为550nm的结构光场到光片上，活性态引发剂在结构光场的作用下引发聚合反应，在连续光和结构光场的非交叠区域不发生聚合反应。该现有技术避免了聚合反应的累积效应，但实现的轴向分辨率取决于光片厚度，只有39μm，且光片厚度和光强在光片平面上的分布严重不均，导致刻写结构在光片平面不同位置的尺寸存在较大差异。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印方法和装置。该方法通过对连续光整形分束后，得到两束相同准直激光光片，两者对称反向入射样品池后，在空间上完全重叠，得到厚度均匀分布的光薄片，该薄片区域引发剂被激发到活性态；另一束宽带光从垂直于光薄片方向入射样品池，避免了聚合反应的累积效应，可实现高洁净度的刻写结构，且宽带光在光薄片内实现时空同步聚焦，光薄片内只有被宽带光照射且达到功率阈值的区域才能发生聚合反应，非时空同步聚焦平面的宽带光功率不足以使活性态引发剂引发聚合反应，具有较高的轴向分辨率，同时宽带光的光场结构高速切换，可进行任意复杂结构刻写。该方法与装置结合高均匀性活性薄片的生成和宽带光时空同步聚焦对轴向分辨率的优化特性，可实现高洁净度高轴向分辨率的三维复杂结构立体打印。本专利技术的具体技术方案如下：一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置，包括连续光源，鲍威尔棱镜，圆柱透镜，平板分光镜，第一反射镜，第二反射镜，样品池，宽带光源，扩束器，第三反射镜，数字微镜阵列DMD，透镜，第四反射镜，物镜；所述连续光源经鲍威尔棱镜被一维扇形展开成激光直线光斑，扇形光束再通过圆柱透镜进行准直后入射到平板分光镜上进行分束，从平板分光镜反射和透射分别得到光束一和光束二，光束一和光束二分别经第一反射镜和第二反射镜反射后入射到样品池中，光束一和光束二在样品池中重叠形成光薄片，光薄片所在区域的引发剂被激发到活性态，形成活性薄片；宽带光源经扩束器进行扩束，后通过第三反射镜反射到数字微镜阵列DMD上进行光场结构调制，激光不同波长成分以不同角度从数字微镜阵列DMD出射，通过透镜后不同波长成分均平行于光轴传输，其后宽带光通过第四反射镜反射，最终通过物镜在样品池中进行聚焦，焦平面位于活性薄片内，有宽带光照射的活性态引发剂可引发聚合反应，未被宽带光照射的活性薄片区域不发生聚合反应，配合样品池的移动，实现三维复杂结构的刻写。进一步的，所述的鲍威尔棱镜将连续光源出射的强度非均匀分布的小口径圆形光斑转换成强度均匀分布的一维激光直线光斑，且在该一维方向上激光光束呈扇形状发散，圆柱透镜对其进行准直，调节圆柱透镜的轴向位置，使一维扇形发散激光变为准直的一维激光光片，光强仍保持均匀分布。进一步的，所述的平板分光镜的分光比为1：1，得到的所述光束一和光束二为完全一致的均匀光片，所述光束一和光束二在同一平面内反向对称地入射到样品池中，两个光片在空间上完全重叠成一个光薄片，该薄片不同位置具有相等的光片厚度和较为均匀的光强分布。进一步的，所述的数字微镜阵列DMD(11)对扩束后的宽带光进行振幅调制产生结构光场，同时数字微镜阵列DMD(11)还具有闪耀光栅的功能，闪耀角θ2满足方程：其中，β为宽带光到DMD(11)的入射角，d2为DMD的像素间距，m为闪耀级次，λ为宽带光所包含的波长，不同波长的光经数字微镜阵列DMD后以不同的闪耀角θ2出射；数字微镜阵列DMD位于透镜的焦点位置，以不同闪耀角θ2出射的波长成分经透镜准直后均平行于光轴传输，不同波长成分与光轴的横向距离不同，经物镜聚焦后在其焦平面上实现时空同步聚焦，轴向具有极大的功率密度梯度。本专利技术还提供了一种高轴向分辨率三维打印方法，其特征在于，样品池中放置引发剂，光薄片内的引发剂被激发到活性态后，宽带光从垂直于光薄片的方向入射样品池，避免宽带光和连续光同向入射时的聚合反应累积效应；未被宽带光照射的光薄片区域内的引发剂进入休眠态，无法引发聚合反应；宽带光在光薄片内实现时空同步聚焦，只有宽带光照射区域，且宽带光功率达到聚合反应的阈值，活性态引发剂才能引专利技术显的聚合反应。进一步的，三维打印的轴向分辨率取决于时空同步聚焦及宽带光功率的控制；控制宽带光的功率，使只有在光薄片内的时空同步聚焦平面上光强达到聚合反应的阈值，进一步优化轴向分辨率；宽带光经数字微镜阵列DMD被调制成结构光场，结合样品池的平移实现任意复杂三维结构的刻写。本专利技术的技术效果如下：本专利技术利用特定波长的连续光先将引发剂激发到活性态，再引入另一束宽带光进一步促使引发剂引发聚合反应，连续光和宽带光的非交叠区域不发生聚合反应，且宽带光达到功率阈值时，才能引专利技术显的聚合反应。宽带光垂直于连续光形成的均匀光片入射，避免了聚合反应累积效应引入的聚合杂质，可提升刻写结构的洁净度；光片厚度一致，刻写的二维单层结构均匀度高，同时宽带光通过时空同步聚焦在光片内达到功率阈值，只有焦平面上才能发生明显的聚合反应，具有高的轴向分辨率，结合宽带光的光场结构高速切换，可实现任意三维复杂结构的高通量刻写。附图说明图1为本专利技术基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置结构示意图；图2为本专利技术鲍威尔棱镜将圆形光斑整形成一维扇形发散的均匀激光直线光斑的原理示意图；图3为本专利技术DMD调制光场结构及宽带光进行时空同步聚焦的原理示意图；图4为本专利技术宽带光垂直聚焦在样品池均匀光片上的结构示意图；图5为本专利技术结构光场入射活性薄片进行复杂结构刻写的示意图。图中，1-连续光源，2-鲍威尔棱镜，3-圆柱透镜，4-平板分光镜，5-第一反射镜，6-第二反射镜，7-样品池，8-宽带光源，9-扩束器，10-第三反射镜，11-数字微镜阵列DMD，12-透镜，13-第四反射镜，14-物镜。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不限定于本专利技术。如图1所示，本专利技术的基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置，包括：连续光源1，鲍威尔棱镜2，圆柱透镜3，平板分光镜4，第一反射镜5，第二反射镜6，样品池7，宽带光源8，扩束器9，第三反射镜1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置，包括连续光源(1)，鲍威尔棱镜(2)，圆柱透镜(3)，平板分光镜(4)，第一反射镜(5)，第二反射镜(6)，样品池(7)，宽带光源(8)，扩束器(9)，第三反射镜(10)，数字微镜阵列DMD(11)，透镜(12)，第四反射镜(13)，物镜(14)；其特征在于：所述连续光源(1)经鲍威尔棱镜(2)被一维扇形展开成激光直线光斑，扇形光束再通过圆柱透镜(3)进行准直后入射到平板分光镜(4)上进行分束，从平板分光镜(4)反射和透射分别得到光束一和光束二，光束一和光束二分别经第一反射镜(5)和第二反射镜(6)反射后入射到样品池(7)中，光束一和光束二在样品池中重叠形成光薄片，光薄片所在区域的引发剂被激发到活性态，形成活性薄片；宽带光源(8)经扩束器(9)进行扩束，后通过第三反射镜(10)反射到数字微镜阵列DMD(11)上进行光场结构调制，激光不同波长成分以不同角度从数字微镜阵列DMD(11)出射，通过透镜(12)后不同波长成分均平行于光轴传输，其后宽带光通过第四反射镜(13)反射，最终通过物镜(14)在样品池(7)中进行聚焦，焦平面位于活性薄片内，有宽带光照射的活性态引发剂可引发聚合反应，未被宽带光照射的活性薄片区域不发生聚合反应，配合样品池(7)的移动，实现三维复杂结构的刻写。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置，包括连续光源(1)，鲍威尔棱镜(2)，圆柱透镜(3)，平板分光镜(4)，第一反射镜(5)，第二反射镜(6)，样品池(7)，宽带光源(8)，扩束器(9)，第三反射镜(10)，数字微镜阵列DMD(11)，透镜(12)，第四反射镜(13)，物镜(14)；其特征在于：所述连续光源(1)经鲍威尔棱镜(2)被一维扇形展开成激光直线光斑，扇形光束再通过圆柱透镜(3)进行准直后入射到平板分光镜(4)上进行分束，从平板分光镜(4)反射和透射分别得到光束一和光束二，光束一和光束二分别经第一反射镜(5)和第二反射镜(6)反射后入射到样品池(7)中，光束一和光束二在样品池中重叠形成光薄片，光薄片所在区域的引发剂被激发到活性态，形成活性薄片；宽带光源(8)经扩束器(9)进行扩束，后通过第三反射镜(10)反射到数字微镜阵列DMD(11)上进行光场结构调制，激光不同波长成分以不同角度从数字微镜阵列DMD(11)出射，通过透镜(12)后不同波长成分均平行于光轴传输，其后宽带光通过第四反射镜(13)反射，最终通过物镜(14)在样品池(7)中进行聚焦，焦平面位于活性薄片内，有宽带光照射的活性态引发剂可引发聚合反应，未被宽带光照射的活性薄片区域不发生聚合反应，配合样品池(7)的移动，实现三维复杂结构的刻写。
2.根据权利要求1所述一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置，其特征在于，所述的鲍威尔棱镜(2)将连续光源(1)出射的强度非均匀分布的小口径圆形光斑转换成强度均匀分布的一维激光直线光斑，且在该一维方向上激光光束呈扇形状发散，圆柱透镜(3)对其进行准直，调节圆柱透镜(3)的轴向位置，使一维扇形发散激光变为准直的一维激光光片，光强仍保持均匀分布。
3.根据权利要求1所述一种基于均匀活性光片的高轴向分辨率三维打印装置，其特征在于，所述的平板分光镜(4)的分光比为1：1，得到的所述光...
【专利技术属性】
技术研发人员：匡翠方，杨顺华，刘旭，李海峰，曹春，徐良，
申请(专利权)人：之江实验室，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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