CN105563830B - 基于微投影3d打印的三维光子晶体模板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，绘制完整周期、几何形貌通道或缺陷的三维光子晶体模型；对三维光子晶体模型进行切片分层，分成若干个二维图形；使用微投影3D打印光路系统，依次逐层地曝光所述的二维图形，使得光敏树脂吸光逐层固化，最终打印出三维光子晶体模板；本方法基于LED面投影光刻技术，结合三维打印技术的打印原理，逐层快速面成型。本方法能够根据模型水平方向大小和成型精度的要求进行调节，最终投影出微小成像光斑，本方法还能更好地定位聚焦光斑清晰成像的位置。该方法具有定制化程度高、全自动制备、制作工序简单，制作成本低，成型速度快等优点。

Description

基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法
技术领域
本发明是涉及光子晶体制备领域，更具体的，涉及一种基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法。
背景技术
光子晶体是具有不同介电常数且在空间上呈周期性分布的新型光学材料，其存在光子带隙特性，能够对特定频率的光起到阻挡和选择传播的作用。光子晶体在光传输、集成光电子器件、高性能激光器、传感器、滤波器等方面的应用极其广泛，是当今科学研究的一大热点。光子晶体具有一维、二维和三维的空间分布，其中三维光子晶体因为可以实现完全光子带隙从而被认为最有应用价值和潜力。上述具有特殊功能的三维光子晶体要求结构中带有特殊几何形貌的通道或者缺陷。制备三维光子晶体的第一步是获得相应模板。
目前，三维光子晶体模板的制备方法主要包括化学自组装方法、光学全息光刻法、激光直写法等，但这些方法通常只能制备完整周期的二维或三维结构、以及带缺陷的二维结构，无法满足特殊几何形貌通道或缺陷的三维结构的要求。近年来得到迅猛发展的三维打印技术正好填补了此技术空白。三维打印又称增材制造，比较成熟的技术方案主要包括选择性激光烧结技术(Selective laser sintering，SLS)，立体光刻成型技术(Stereolithography，SLA)，熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling，FDM)等，其高效和低成本等特点符合社会发展需要，在交通、医疗保健、军事、教育等多个领域有着广泛应用。
发明内容
本发明提出一种基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，是针对微小型三维光子晶体模板的制备方法，一般微小型三维光子晶体模板包括完整周期、几何形貌通道或缺陷的三维光子晶体结构。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，具体为：
绘制完整周期、几何形貌通道或缺陷的三维光子晶体模型；
对三维光子晶体模型进行切片分层，分成若干个二维图形；
使用微投影3D打印光路系统，依次逐层地曝光所述的二维图形，使得光敏树脂吸光逐层固化，最终打印出三维光子晶体模板。
该方法将三维打印技术应用到三维光子晶体模板制备工艺上，弥补了目前光子晶体模板制备工艺的不足，具有定制化程度高、工序简单，制作成本低，面成型速度快等特点。
优选的，上述微投影3D打印光路系统包括LED阵列；工程扩散器；第一光阑；第一透镜；第二光阑；DMD调制器；第二透镜；第三透镜；分束片；CCD；紫外铝膜反射镜；培养皿；铝质方形升降平台；光敏树脂；步进电机。
LED阵列发出的光信号经工程扩散后入射至第一光阑，第一光阑出射的光信号依次射入第一透镜、第二光阑和DMD调制器，经DMD调制器调制后的光信号入射第二透镜，经第二透镜后的光信号射入到分束片，分束后的光信号经过紫外铝膜反射镜反射，投影到升降平台，CCD通过第三透镜和分束片拍摄从升降平台上反馈回来的光信号；其中升降平台由步进电机控制，并放置在培养皿上，培养皿装有光敏树脂；
LED阵列作为光源，逐层地面投影曝光，使光敏树脂逐层固化，打印出三维光子晶体模板。
优选的，绘制三维光子晶体模型结构，并以三维模型格式文件输出；基于三维模型格式文件将三维光子晶体模型切分成若干个二维振幅型黑白图。
优选的，使用微投影3D打印光路系统，依次逐层地曝光所述的二维图形，使得光敏树脂吸光逐层固化。
优选的，调节成像光斑大小和成像水平方向精度，DMD调制器上加载二维图形，结合透镜成像的原理，即调节DMD调制器与第二透镜的距离，能够缩小投影在升降平台上光斑面积以及提高水平方向的分辨率。其中，第二透镜为单个透镜或透镜组。
优选的，CCD、第三透镜和分束片组成反馈子系统，监控光束在升降平台表面的成像清晰情况，从而更精准地定位聚焦光斑清晰成像位置；
反馈完毕，确定升降平台上表面的位置高度，此高度为光斑成像最清晰位置，接着往培养皿内缓慢倾倒光敏树脂，直至液面接近升降平台上表面，停止倾倒，改用滴管小量注入树脂，直至升降平台恰好完全浸入树脂中。
优选的，微投影3D打印光路系统还包括控制器，用于控制步进电机和DMD调制器，实现全自动打印制备。
本发明是基于LED阵列微投影光刻技术，采用逐层切片技术和面成型技术，全自动地逐层曝光，以致光敏树脂吸光逐层固化成型，最终获得具有几何构型的三维结构，相比于激光线扫描光固化三维打印技术，这种面投影曝光成型技术大大减少打印时间，同时此打印系统是以LED阵列作为光源，制作成本也相应地降低。本发明的特点是增加了缩微子系统（DMD调制器）和反馈子系统，缩微子系统能够根据需要打印的光子晶体模板大小和其横向截面的精度要求来调节成像光斑大小，定制化地打印成型；而反馈子系统，能更好地定位聚焦光斑清晰成像的位置，从而大大地提高三维光子晶体模板的成型质量。总的来说，本发明所提出三维光子晶体模板制备方法是一种全自动制备方法，具有定制化程度高、工序简单，制作成本低，面成型速度快等特点。
附图说明
图1是微投影3D打印光路系统示意图。
图2是二维振幅黑白图（白色区域代表模型横截面，黑色区域代表非曝光区）。
图3是二维振幅黑白图（选用美国空军1951年分辨率测试图），用于反馈系统精准定位聚焦光斑清晰成像位置。
图4是实例一所述的含手性通道木堆积三维光子晶体设计模型示意图
图5是利用微投影三维打印技术制备实例一的三维光子晶体模板示意图（显微镜俯视图，展示了横向10个周期）。
图6是利用微投影三维打印技术制备实例一的三维光子晶体模板示意图（显微镜侧视图，展示了样品最上端若干层）。
图7是利用微投影三维打印技术制备实例一的三维光子晶体模板示意图（SEM俯视图，展示了正中央手性通道）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
图1中，1-LED阵列；2-工程扩散器；3-第一光阑；4-第一透镜；5-第二光阑；6-DMD调制器；7-第二透镜；8-第三透镜；9-分束片；10-CCD；11-紫外铝膜反射镜；12-培养皿；13-铝质方形升降平台；14-光敏树脂；15-步进电机。
一种基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，
绘制完整周期、几何形貌通道或缺陷的三维光子晶体模型；
对三维光子晶体模型进行切片分层，分成若干个二维图形；
使用微投影3D打印光路系统，依次逐层地曝光所述的二维图形，使得光敏树脂吸光逐层固化，最终打印出三维光子晶体模板；
如图1，LED阵列1发出的光信号经工程扩散器2后入射至第一光阑3，第一光阑3出射的光信号依次射入第一透镜4、第二光阑5和DMD调制器6，经DMD调制器6调制后的光信号入射第二透镜7，经第二透镜7后的光信号射入到分束片9，分束后的光信号经过紫外铝膜反射镜11反射，投影到升降平台13，CCD10通过第三透镜8和分束片9拍摄从升降平台上反馈回来的光信号；其中升降平台由步进电机15控制，并放置在培养皿12上，培养皿装有光敏树脂14；
LED阵列作为光源，逐层地面投影曝光，使光敏树脂逐层固化，打印出三维光子晶体模板。
实施例1
以制备微小型且含手性通道的木堆积三维光子晶体模板为例，其步骤为：
（1）利用三维模型辅助设计软件设计出微小且带手性通道的木积推模型如图，该结构是由多条完全等同的长方体棒条周期性排列构成，每条棒条横截面宽度为0.15mm*0.15mm，x-y-z方向周期数分别15*15*5，整体大小约为5mm*5mm*3mm，模型正中央设计螺旋向上的手性通道，大小约为0.16mm*0.16mm。
（2）模型以三维模型格式文件输出，并输入切片软件，将三维光子晶体模型切分成若干张二维黑白图，（如图2白色区域代表模型横截面，其中中央棒条中部有个小凹槽，多个小凹槽沿z方向螺旋排列后形成手性通道，黑色区域代表非曝光区），由于系统制备样品时设置切片间距0.05mm，因此每张切片曝光三次，这样每层的厚度刚好为棒条的宽度0.15mm，模型共曝光60张切片。
（3）利用小型水平仪调整升降平台水平性，以及保证平台表面干净平整，并使升降平台处于一定高度。
（4）利用缩微系统，根据棒条设计的宽度0.15mm，推出模型横截面总体大小约为5mm*5mm，从而通过调节缩微系统中透镜的物方距离（即DMD与前方透镜的距离），最终选择的会聚光斑面积大小约为9mm*6mm，接近DMD调制器的芯片大小约为9.72mm*6.08mm，因此，光斑水平面的分辨率接近DMD芯片的分辨率1280*800（单像素大小7.6um）。由于是用肉眼判断成像光斑清晰情况，未能很准确知道最清晰成像位置，因此需要反馈系统来进一步确认。
（5）利用反馈系统（由CCD、透镜和分束片组成），监控光束在升降台表面的成像清晰情况，从而精准定位聚焦光斑清晰成像位置。启动LED阵列，输入一张二维振幅黑白图（如图3，选用美国空军1951年分辨率测试图）到DMD调制器，使之投影到升降台表面上。通过CCD接收光斑反馈信号，从而判断是否清晰。反馈系统的使用，一般先移动CCD前后位置找到最清晰像，然后再稍微移动缩微系统中透镜组位置，以至CCD再次显示出得到最清晰图像。
（6）反馈完毕，确定升降台表面的位置高度（一般略低培养皿高度），此高度为光斑成像最清晰位置，接着往培养皿内缓慢倾倒光敏树脂，直至液面接近升降平台上表面，停止倾倒，改用滴管小量注入树脂，直至升降平台恰好完全浸入树脂中，等待液面回流。
（7）开始打印模型，启动自主开发的labview程序，利用Labview程序控制光源驱动、步进电机和DMD调制器，进行全自动面投影打印。
首先加载灰度值为255的全白二维图到DMD调制器，启动 LED阵列，曝光1分钟，曝光完毕立即投影灰度值为0的全黑二维图，同时升降平台下沉3毫米直至固化部分完全沉入液面，再上升至距离液面一个切片间距的高度（这里设置高度为0.05mm）。这一步的目的是在于模型制备前需要在模型正下方打印一个基底，这样可以避免样品与平台的直接接触，尽可减小模型在剥离升降平台时造成损坏。
接着依次输入模型切片化的横截面图到DMD调制器，每张图片曝光11秒后，DMD调制器再显示灰度值为255的全黑二维图，而升降台下降3mm完全沉入树脂液面，再上升至已固化层表面与液面相差一个切片间距的高度处，然后再曝光下一张图片，如此循环直至最后一张图片曝光完毕。其中通过升降台在每张横截面曝光完毕后下沉3mm再上升目的在于保证已固化部分能完全涂覆上新的液态光敏树脂层。
模型成型完毕后，取出平台，用薄刀片把样品从平台上剥离（连同基底），并将其浸泡在超声波清洗仪中的无水乙醇进行清洗，清洗一般在11-15分钟，然后从超声波清洗仪中取出来，并放置冷风下吹干（一般7-8分钟）。
实施例2：
以制备完整周期的木堆积三维光子晶体模板为例，模型的整体设计与实施例1一样，其完整周期体现在模型是由多条完全等同的长方体棒条周期性排列构成，不存在螺旋向上的手性通道或其它缺陷。制备步骤与实施例1相同。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，其特征在于，
绘制完整周期、几何形貌通道或缺陷的三维光子晶体模型；
对三维光子晶体模型进行切片分层，分成若干个二维图形；
使用微投影3D打印光路系统，依次逐层地曝光所述的二维图形，使得光敏树脂吸光逐层固化，最终打印出三维光子晶体模板；
上述微投影3D打印光路系统包括LED阵列（1）；工程扩散器（2）；第一光阑（3）；第一透镜（4）；第二光阑（5）；DMD调制器（6）；第二透镜（7）；第三透镜（8）；分束片（9）；CCD（10）；紫外铝膜反射镜（11）；培养皿（12）；铝质方形升降平台（13）；光敏树脂（14）；步进电机（15）；
LED阵列（1）发出的光信号经工程扩散器（2）后入射至第一光阑（3），第一光阑（3）出射的光信号依次射入第一透镜（4）、第二光阑（5）和DMD调制器（6），经DMD调制器（6）调制后的光信号入射第二透镜（7），经第二透镜（7）后的光信号射入到分束片（9），分束后的光信号经过紫外铝膜反射镜（11）反射，投影到升降平台（13），CCD（10）通过第三透镜（8）和分束片（9）拍摄从升降平台上反馈回来的光信号；其中升降平台由步进电机（15）控制，并放置在培养皿（12）上，培养皿装有光敏树脂（14）；
LED阵列作为光源，逐层地面投影曝光，使光敏树脂逐层固化，打印出三维光子晶体模板。
2.根据权利要求1所述的基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，其特征在于，绘制三维光子晶体模型结构，并以三维模型格式文件输出；基于三维模型格式文件将三维光子晶体模型切分成若干个二维振幅型黑白图。
3.根据权利要求1所述的基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，其特征在于，使用微投影3D打印光路系统，依次逐层地曝光所述的二维图形，使得光敏树脂吸光逐层固化。
4.根据权利要求1所述的基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，其特征在于，通过第二透镜调节成像光斑大小和成像水平方向精度，即DMD调制器上加载二维图形，结合透镜成像的原理，调节DMD调制器与第二透镜的距离，能够缩小投影在升降平台上光斑面积以及提高水平方向的分辨率；
其中，第二透镜为单个透镜或透镜组。
5.根据权利要求1所述的基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，其特征在于，CCD、第三透镜和分束片组成反馈子系统，监控光束在升降平台表面的成像清晰情况，定位聚焦光斑清晰成像位置；
反馈完毕，确定升降平台上表面的位置高度，此高度为光斑成像最清晰位置，接着往培养皿内缓慢倾倒光敏树脂，直至液面接近升降平台上表面，停止倾倒，改用滴管小量注入树脂，直至升降平台恰好完全浸入树脂中。
6.根据权利要求1所述的基于微投影3D打印的三维光子晶体模板的制备方法，其特征在于，微投影3D打印光路系统还包括控制器，所述控制器用于控制步进电机和DMD调制器，实现全自动打印制备。
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