多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法

摘要

一种多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法，本发明的核心是利用时空聚焦技术对飞秒激光脉冲进行时空整形，操控入射脉冲光束时空特性，同时利用空间波前矫正技术对像差进行补偿，实现打印材料中不同尺度的三维对称焦斑形状，从而进行不同尺度的三维物体光固化成型。本发明具有有效、高速、精度可控等特点，能够实现不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物医学功能器官制造、激光三维加工与显示等领域均有着重要的潜在应用价值。

权利要求

1.一种多分辨率飞秒激光3D打印装置，其特征是该装置包括沿飞秒激光脉冲的输出方向依次是展宽器(1)、放大器(2)、可变焦的凸透镜(3)和凹透镜(4)、可调衰减片(5)、第一光栅(6)、第二光栅(7)、空间光调制器(8)、第一凸透镜(9)、平面反射镜(10)、第二凸透镜(11)、分色镜(12)、平场透镜(13)和位于三维平移台(15)上的打印材料(14)，在所述的打印材料(14)的反射光方向依次是平场透镜(13)、分色镜(12)、第三凸透镜(16)和CCD(17)，所述的飞秒激光脉冲聚焦在所述的三维平移台(15)上放置的光固化打印材料(14)中，第三凸透镜(16)和CCD(17)接受加工图像以便实时观察整个3D打印过程，计算机(18)的输出端与所述的空间光调制器(8 )和三维平移台(15)的控制端相连，所述的第一光栅(6)和第二光栅(7)相对且相互平行放置，所述的空间光调制器(8)加载的矫正成型相差的掩模由所述的第一凸透镜(9)、平面反射镜(10)、第二凸透镜(11)构成4f系统成像于所述的平场透镜(13)的入瞳处。

2.利用权利要求1所述的多分辨率飞秒激光3D打印装置飞秒激光3D打印的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

①将打印材料(14)固定在所述的三维平移台(15)上；

②调整光路：经所述的展宽器(1)和放大器(2)发出的中心波长为800nm的飞秒激光脉冲，经过凸透镜(3)、凹透镜(4)构成可变焦的望远系统改变光束尺寸后，由可调衰减片(5)控制能量，经第一光栅(6)、第二光栅(7)，由空间光调制器(8)反射的激光脉冲经第一凸透镜(9)、平面反射镜(10)和第二凸透镜(11)组成的4f成像系统至所述的分色镜(12)，经分色镜(12)反射后成像到所述的平场透镜(13)的入瞳，经过上述时空整形和相位调制后的飞秒激光脉冲由所述的平场透镜(13)聚焦于打印材料(14)内部；

③控制所述的可变焦凸透镜(3)的焦距以及可变焦凸透镜(3)与凹透镜(4)之间的距离实现光束比例的缩放，同时调节可调衰减片(5)控制光束的能量,在所述的计算机(18)输入的空间光调制器相位调制掩膜，控制聚焦区域的相差，实现打印材料中作用区域不同尺度的三维对称焦斑形状；将需要打印的三维物体模型文件输入所述的计算机(18)，控制所述的三维平移台(15)移动，进行光固化三维成型和打印。

说明书

多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光固化成型3D打印,特别是一种多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法。

背景技术

[0002] 1986年美国博士Charles Hull在其博士毕业论文中提出光固化三维快速成型技术并申请了相关专利，其原理是使用激光固化液态树脂成型，现在通常成为SLA技术(Stereo lithography Appearance)。SLA是最早提出并实现商业应用的成型技术。由于该技术成熟度高，精度高，适用面广等特点，自从登上历史舞台后就受到了极大关注，基于SLA技术的打印方法和设备层出不穷。时至今日，基于SLA技术的3D打印在诸多领域如工业制造领域的设计验证、小批量试制和蜡膜铸造；生物医疗领域中齿科和骨科功能器官制造以及文物和艺术品仿制等方面均有着广泛和重要的应用。

[0003] 传统的基于SLA技术的3D打印机利用的是UV紫外激光器进行光敏打印材料的固化，由于机理为单光子聚合，其打印精度受到了一定的限制。飞秒激光以其成像精度高、热效应小以及可以对透明材料实现三维扫描与加工等优点在聚合、加工等诸多领域有重要的潜在应用前景(参见文献Sugioka,K.&Cheng,Y.Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing.Light:Sci.Appl.3,e149 2014)。飞秒激光能通过非线性过程实现光固化材料的双光子聚合，具备高分辨的三维成型能力。利用飞秒激光进行双光子聚合在各领域已有着广泛应用(参见文献Xing J F,Zheng M L,Duan X M.,Two-photon polymerization microfabrication of hydrogels:an advanced 3D printing technology for tissue engineering and drug delivery.Chemical Society Reviews,2015,44(15):5031-5039.)。市场上已经有高精度的飞秒激光3D打印设备问世。目前基于非线性光固化过程的飞秒激光3D打印技术聚焦光斑小，精度高，需要数值孔径(NA)较高的物镜来实现。若通过降低NA来进行较大分辨率的三维成型，此时瑞利距离将急剧变长，焦斑在轴向变得狭长，降低成型时的轴向分辨率，极大破坏3D打印的成型质量。因此，目前1μm-100μm分辨率的3D打印仍缺少有效的技术方案和解决手段。

发明内容

[0004] 本发明旨在提供一种多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法，该装置具有有效、高速、精度可控等特点，能够实现不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物医学功能器官制造、激光三维加工与显示等领域均有着重要的潜在应用价值。

[0005] 本发明的技术解决方案如下：

[0006] 一种多分辨率飞秒激光3D打印装置，其特点是该装置包括沿飞秒激光脉冲的输出方向依次是展宽器、放大器、可变焦的凸透镜和凹透镜、可调衰减片、第一光栅、第二光栅、空间光调制器、第一凸透镜、平面反射镜、第二凸透镜、分色镜、平场透镜和位于三维平移台上的打印材料，在所述的打印材料的反射光方向依次是平场透镜、分色镜、第三凸透镜和CCD，所述的飞秒激光脉冲聚焦在所述的三维平移台上放置的光固化打印材料中，第三凸透镜和CCD接受加工图像以便实时观察整个3D打印过程，计算机的输出端与所述的空间光调制器和三维平移台的控制端相连，所述的第一光栅和第二光栅相对且相互平行放置，所述的空间光调制器加载的矫正成型相差的掩模由所述的第一凸透镜、平面反射镜、第二凸透镜构成4f系统成像于所述的平场透镜的入瞳处。

[0007] 利用上述多分辨率飞秒激光3D打印装置进行飞秒激光3D打印的方法，包括以下步骤：

[0008] ①将打印材料固定在所述的三维平移台上；

[0009] ②调整光路：经所述的展宽器和放大器发出的中心波长为800nm的飞秒激光脉冲，经过凸透镜、凹透镜构成的可变焦望远系统改变光束尺寸后，由可调衰减片控制能量，经第一光栅、第二光栅，由空间光调制器反射的激光脉冲经第一凸透镜、平面反射镜和第二凸透镜组成的4f成像系统至所述的分色镜，经分色镜反射后成像到所述的平场透镜的入瞳，经过上述时空整形和相位调制后的飞秒激光脉冲由所述的平场透镜聚焦于打印材料内部；

[0010] ③控制所述的可变焦凸透镜的焦距以及可变焦凸透镜与凹透镜之间的距离实现光束比例的缩放，同时调节可调衰减片控制光束的能量,在所述的计算机输入的空间光调制器相位调制掩膜，控制聚焦区域的相差，实现打印材料中作用区域不同尺度的三维对称焦斑形状；将需要打印的三维物体模型文件输入所述的计算机，控制所述的三维平移台移动，进行光固化三维成型和打印。

[0011] 本发明的技术效果如下：

[0012] 本发明通过光栅对使飞秒激光脉冲产生空间色散后聚焦，让不同频率的光只在焦点处重合。通过光栅对前的缩束系统控制焦点区域横向光斑尺寸；同时由于时空聚焦技术的特性，在偏离焦点的地方，由于不同频率的光在时间和空间上不重合，使得脉冲宽度迅速增加，导致激光强度下降，瑞利长度减小，从而实现了轴向聚焦光斑尺寸的操控，最终获得打印材料内部飞秒激光聚焦焦点区域轴向和横向的三维对称特性。通过空间光调制器的波前矫正，确保不同深度的三维对称特性一致。此外，利用望远镜系统调节光束尺寸，辅以可调节衰减片调节飞秒激光的脉冲能量，能够实现打印过程中分辨率的连续可调。

[0013] 本发明具有有效、高速、精度可控等特点，能够实现不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物医学功能器官制造、激光三维加工与显示等领域均有着重要的潜在应用价值。

附图说明

[0014] 图1是本发明多分辨率飞秒激光3D打印装置的光路图。

具体实施方式

[0015] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0016] 请参阅图1，图1为本发明多分辨率的飞秒激光3D打印装置具体实施的光路图。由图可见，本发明多分辨率飞秒激光3D打印装置，包括沿飞秒激光脉冲的输出方向依次是展宽器1、放大器2、可变焦的凸透镜3和凹透镜4、可调衰减片5、第一光栅6、第二光栅7、空间光调制器8、第一凸透镜9、平面反射镜10、第二凸透镜11、分色镜12、平场透镜13和位于三维平移台15上的打印材料14，在所述的打印材料14的反射光方向依次是平场透镜13、分色镜12、第三凸透镜16和CCD17，所述的飞秒激光脉冲聚焦在所述的三维平移台15上放置的光固化打印材料14中，第三凸透镜16和CCD17接受加工图像以便实时观察整个3D打印过程，计算机18的输出端与所述的空间光调制器7和三维平移台15的控制端相连，所述的第一光栅6和第二光栅7相对且相互平行放置，所述的空间光调制器8加载的矫正成型相差的掩模由所述的第一凸透镜9、平面反射镜10、第二凸透镜11构成4f系统成像于所述的平场透镜13的入瞳处。

[0017] 利用上述多分辨率飞秒激光3D打印装置进行飞秒激光3D打印的方法，包括以下步骤：

[0018] ①将打印材料14固定在所述的三维平移台15上；

[0019] ②调整光路：经所述的展宽器1和放大器2发出的中心波长为800nm的飞秒激光脉冲，经过凸透镜3、凹透镜4构成可变焦的望远系统改变光束尺寸后，由可调衰减片5控制能量，经第一光栅6、第二光栅7，由空间光调制器8反射的激光脉冲经第一凸透镜9、平面反射镜10和第二凸透镜11组成的4f成像系统至所述的分色镜12，经分色镜12反射后成像到所述的平场透镜13的入瞳，经过上述时空整形和相位调制后的飞秒激光脉冲由所述的平场透镜13聚焦于打印材料14内部；

[0020] ③控制所述的可变焦凸透镜3的焦距以及可变焦凸透镜3与凹透镜4之间的距离实现光束比例的缩放，同时调节可调衰减片5控制光束的能量,在所述的计算机18输入的空间光调制器相位调制掩膜，控制聚焦区域的相差，实现打印材料中作用区域不同尺度的三维对称焦斑形状；将需要打印的三维物体模型文件输入所述的计算机18，控制所述的三维平移台15移动，进行光固化三维成型和打印。

[0021] 由展宽器1、放大器2发射出的未经过压缩的飞秒激光脉冲先通过可变焦凸透镜3和凹透镜4实现不同光束宽度的激光脉冲输出，从而控制平场透镜13聚焦焦点处光斑的横向尺寸。缩束后的飞秒激光脉冲经过第一光栅6和第二光栅7反射。第一光栅6和第二光栅7平行放置，入射角度和距离取决于飞秒激光脉冲的时间啁啾。由于飞秒激光脉冲经过光栅对后产生空间啁啾，不同频率的光在空间分开，这样在经过透镜聚焦后的聚焦过程中，只有在几何焦点处，不同频率的光在时间和空间上重合。而在偏离焦点的地方，不同频率的光在时间和空间上不重合，导致激光脉冲宽度迅速增加，激光峰值强度下降。最终使得激光的瑞利长度减小。在此基础上辅以可调节衰减片5的能量调节，从而控制平场透镜13焦点处聚焦光斑轴向尺寸。结合以上所述方法，实现打印材料内部聚合区域尺寸可操控的三维对称。

[0022] 在计算机18端加载补偿相差的相位掩膜，激光脉冲通过空间光调制器8和4f系统后，由平场透镜13聚焦到三维平移台15上放置的光固化打印材料14中，利用计算机18规划三维成型路线，实现不同模型的三维打印。

[0023] 实验表明，本发明具有有效、高速、精度可控等特点，能够实现不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物医学功能器官制造、激光三维加工与显示等领域均有着重要的潜在应用价值。