[發明專利]多分辨率飛秒激光3D打印裝置和打印方法

有效

• 申請號: 201710432759.0
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107175823B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 程亞;儲蔚;譚遠鑫
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: B29C64/273
• 分類號: B29C64/273;B29C64/135;B33Y30/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種多分辨率飛秒激光3D打印裝置和打印方法，本發明的核心是利用時空聚焦技術對飛秒激光脈沖進行時空整形，操控入射脈沖光束時空特性，同時利用空間波前矯正技術對像差進行補償，實現打印材料中不同尺度的三維對稱焦斑形狀，從而進行不同尺度的三維物體光固化成型。本發明具有有效、高速、精度可控等特點，能夠實現不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物醫學功能器官制造、激光三維加工與顯示等領域均有著重要的潛在應用價值。

技術領域

本發明涉及光固化成型3D打印,特別是一種多分辨率飛秒激光3D打印裝置和打印方法。

背景技術

1986年美國博士Charles Hull在其博士畢業論文中提出光固化三維快速成型技術并申請了相關專利，其原理是使用激光固化液態樹脂成型，現在通常成為SLA技術(Stereo lithography Appearance)。SLA是最早提出并實現商業應用的成型技術。由于該技術成熟度高，精度高，適用面廣等特點，自從登上歷史舞臺后就受到了極大關注，基于SLA技術的打印方法和設備層出不窮。時至今日，基于SLA技術的3D打印在諸多領域如工業制造領域的設計驗證、小批量試制和蠟膜鑄造；生物醫療領域中齒科和骨科功能器官制造以及文物和藝術品仿制等方面均有著廣泛和重要的應用。

傳統的基于SLA技術的3D打印機利用的是UV紫外激光器進行光敏打印材料的固化，由于機理為單光子聚合，其打印精度受到了一定的限制。飛秒激光以其成像精度高、熱效應小以及可以對透明材料實現三維掃描與加工等優點在聚合、加工等諸多領域有重要的潛在應用前景(參見文獻Sugioka,K.&Cheng,Y.Ultrafast lasers—reliable tools foradvanced materials processing.Light:Sci.Appl.3,e149 2014)。飛秒激光能通過非線性過程實現光固化材料的雙光子聚合，具備高分辨的三維成型能力。利用飛秒激光進行雙光子聚合在各領域已有著廣泛應用(參見文獻Xing J F,Zheng M L,Duan X M.,Two-photon polymerization microfabrication of hydrogels:an advanced 3D printingtechnology for tissue engineering and drug delivery.Chemical Society Reviews,2015,44(15):5031-5039.)。市場上已經有高精度的飛秒激光3D打印設備問世。目前基于非線性光固化過程的飛秒激光3D打印技術聚焦光斑小，精度高，需要數值孔徑(NA)較高的物鏡來實現。若通過降低NA來進行較大分辨率的三維成型，此時瑞利距離將急劇變長，焦斑在軸向變得狹長，降低成型時的軸向分辨率，極大破壞3D打印的成型質量。因此，目前1μm-100μm分辨率的3D打印仍缺少有效的技術方案和解決手段。

發明內容

本發明旨在提供一種多分辨率飛秒激光3D打印裝置和打印方法，該裝置具有有效、高速、精度可控等特點，能夠實現不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物醫學功能器官制造、激光三維加工與顯示等領域均有著重要的潛在應用價值。

本發明的技術解決方案如下：

一種多分辨率飛秒激光3D打印裝置，其特點是該裝置包括沿飛秒激光脈沖的輸出方向依次是展寬器、放大器、可變焦的凸透鏡和凹透鏡、可調衰減片、第一光柵、第二光柵、空間光調制器、第一凸透鏡、平面反射鏡、第二凸透鏡、分色鏡、平場透鏡和位于三維平移臺上的打印材料，在所述的打印材料的反射光方向依次是平場透鏡、分色鏡、第三凸透鏡和CCD，所述的飛秒激光脈沖聚焦在所述的三維平移臺上放置的光固化打印材料中，第三凸透鏡和CCD接受加工圖像以便實時觀察整個3D打印過程，計算機的輸出端與所述的空間光調制器和三維平移臺的控制端相連，所述的第一光柵和第二光柵相對且相互平行放置，所述的空間光調制器加載的矯正成型相差的掩模由所述的第一凸透鏡、平面反射鏡、第二凸透鏡構成4f系統成像于所述的平場透鏡的入瞳處。