CN115519785B - 一种基于光纤的微纳结构3d打印系统及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤的微纳结构3D打印系统及其打印方法，包括：光纤微透镜、光纤、运动平台、光纤耦合器、光纤环形器、可见光源、光电探测器、飞秒激光光源、模式选择模块、光隔离器、支撑结构、光敏聚合物容器池和控制器。本发明利用光纤微透镜替代传统空间物镜实现激光聚焦与结构微型化；光纤输出光场受模式可控，实现高精度与高效率打印；使用光纤进行3D打印加工更加灵活，实现多维度加工，高自由度微纳尺度打印。该系统和方法实现了高精度、跨尺度三维微纳结构的高效加工。
Description
技术领域
本发明属于微纳结构制备技术领域，特别是涉及一种基于光纤的微纳结构3D打印系统及其打印方法。
背景技术
实现微纳结构制备的方法包括单光子聚合打印技术、纳米压印技术、电子束刻蚀技术、基于飞秒激光的双光子聚合技术、超精密切削加工技术等，其中单光子聚合打印技术通过软件控制逐层喷涂聚合材料，逐层固化实现制备，该方法加工速度快且具有微米级的精度，但是受限于喷涂厚度、光学衍射极限等因素对于纳米尺度的三维结构则无法加工；超精密切削加工技术同样精度不足且加工复杂，成本高昂；纳米压印技术无法加工复杂的微纳结构，例如镂空结构；电子束刻蚀技术精度高但是成本高昂，耗时严重。相比较而言，基于飞秒激光的双光子聚合打印技术具有应用材料广泛、无需掩膜、加工分辨率高、成本可控等优点，成为了三维微纳结构制造的理想选择。
目前双光子打印技术存在多种实现方式，其中，利用体光学元件构建双光子打印机，但由于体光学元件光路的特点，此种方式获得的打印机存在搭建困难、抗干扰能力差、结构松散等问题；利用光纤导光，聚焦镜聚焦实现打印，灵活度、集成度不高，系统稳定性存在问题；摒弃层积成型的特点，采用立体固化使其层间应力更小、受力更加均匀、粘合性更好、成品结构稳定，提高了打印速度，但是打印精度低，空间限制大；应用光纤耦合输出激光实现高分子材料3D打印，改善了激光输出能量分布以实现高分子材料加工区温度场均匀分布，从而优化制件质量。该方法是在加工用激光源中引入光纤耦合模块，初始产生的环形状、强度由中心向外渐变减弱的激光利用不同的方式耦合入光纤，然后经过光纤传输，最终由光纤的另一端输出强度均匀分布的光斑，但光纤移动不够灵活，高效率高精度无法兼顾，无法满足微纳尺度的加工要求。
现有双光子聚合打印系统存在结构复杂庞大、光路复杂、使用环境苛刻、狭小空间成型困难、灵活度低、高分辨率加工和高效率加工之间相互制约等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤的微纳结构3D打印系统及其打印方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤的微纳结构3D打印系统，包括：
光纤微透镜、光纤、运动平台、光纤耦合器、光学检测结构、飞秒激光光源、模式选择模块、光隔离器、支撑结构、光敏聚合物容器池和控制器；
所述光纤微透镜与所述光纤相连，所述光纤安装于所述运动平台上，所述运动平台用于带动光纤移动；
所述光敏聚合物容器池与所述支撑结构连接；
所述光纤耦合器、所述光隔离器、所述飞秒激光光源及所述模式选择模块依次相连；
光纤耦合器还分别与光纤、光纤环形器连接。
可选的，光学检测结构包括光纤环形器、可见光源、光电探测器，所述光纤环形器分别与所述可见光源及所述光电探测器连接，所述光学检测结构用于获取加工面位置及被打印器件的结构信息。
可选的，所述模式选择模块用于根据打印模式确定输出模式，其中，所述打印模式包括高精度打印模式、高效率打印模式，所述输出模式包括基模高斯光束、结构化焦场。
可选的，所述光敏聚合物容器池中包括：光纤、芯片基板、显微镜玻片及光敏聚合物，其中，所述光敏聚合物位于所述光纤、所述芯片基板、所述显微镜玻片的上表面上。
可选的，所述控制器用于控制系统启闭和工作参数。
本发明还提供了一种基于光纤的微纳结构3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待打印微纳结构的三维模型数据，对所述三维模型数据进行处理，获得写入序列信息及切片信息；
获取加工面位置及被打印器件的结构信息；
基于所述写入序列信息、所述切片信息、所述加工面位置、所述被打印器件的结构信息进行3D打印，直至遍历完成所述写入序列信息及所述切片信息，完成打印。
可选的，获取写入序列信息及切片信息的过程包括：采用切片的方式，将所述待打印微纳结构的三维模型数据每层的结构特征数据转换为每层的写入序列信息及切片信息，其中切片的方向为从底层向上进行切片。
可选的，获取所述加工面位置及被打印器件的结构信息的过程包括：可将光源发出的光束依次经过光纤环形器、光纤耦合器、光纤后入射到光纤微透镜中，照射到光敏聚合物容器池中，反射的光经光纤微透镜收集后被反射至光电探测器中检测反射信号，获得所述加工面位置。
可选的，进行3D打印的过程中还包括：从所述写入序列信息的最底层开始打印，通过光纤微透镜对飞秒激光光源发出的激光进行聚焦，获得焦点，所述激光聚焦之后照射在光敏聚合物容器池内实现打印。
可选的，在进行聚焦之前还包括：所述飞秒激光光源发射的激光经过模式选择模块与光隔离器后，由光纤传递到光纤微透镜。
本发明的技术效果为：
本发明利用光纤微透镜替代传统空间物镜实现激光聚焦与结构微型化；光纤输出光场受模式可控，实现高精度与高效率打印；使用光纤进行3D打印加工更加灵活，实现多维度加工，高自由度微纳尺度打印；实现了高精度、跨尺度三维微纳结构的高效加工。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的一种基于光纤的微纳结构3D打印系统结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种基于光纤的微纳结构3D打印系统的打印方法流程示意图；
图3为本发明实施例中的一种模式选择模块内部结构示意图；
其中，1-光纤微透镜、2-光纤、3-运动平台、4-光纤耦合器、5-光纤环形器、6-可见光源、7-光电探测器、8-飞秒激光光源、9-模式选择模块、10-光隔离器、11-光敏聚合物容器池、12-支撑结构、13-模式选择模块输出光纤、14-模式选择模块输入光纤、15-耦合透镜、16-光纤、17-涡旋光束整形部件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1-3所示，本实施例中提供一种基于光纤的微纳结构3D打印系统及其打印方法，包括：
本实施例提供了一种基于光纤的微纳结构3D打印系统、方法，该系统和方法将光纤引入微纳结构制造技术，达到激光聚焦与结构微型化，光纤输出光场受模式调控，实现高精度与高效率打印，加工更加灵活，实现多维度加工，高自由度微纳尺度打印的目的。
本实施例提出的基于光纤的微纳结构3D打印系统，包括光纤微透镜1、光纤2、运动平台3、光纤耦合器4、光纤环形器5、可见光源6、光电探测器7、飞秒激光光源8、模式选择模块9、光隔离器10、光敏聚合物容器池11、支撑结构12和控制器。
所述的光敏聚合物容器池11固定在支撑结构12上，光敏聚合物容器池11底部可以放置光纤、芯片基板、显微镜载玻片以实现微纳结构在上述器件上的集成。光纤2位于光敏聚合物容器池11的上方，受运动平台3控制运动，可以实现三维、旋转、偏转运动。光纤微透镜可以通过粒子束刻蚀技术、双光子聚合打印技术等技术在光纤端面制备。
3D打印系统根据打印速度和精度要求可实现多个打印模式，如高精度模式与高效率模式，通过模式选择模块控制光纤输出光场模式，根据需要输出结构化光场实现高精度与高效率打印，在高精度打印模式下，选择输出高度聚焦的焦点，在高效率打印模式下，选择输出高阶模式、涡旋光场等结构化焦场。模式选择模块可能的内部结构为多个光纤光束整形部件，通过与输入输出光纤耦合，实现不同的光场模式输出，进而影响打印精度和打印效率。一种可能的模式选择模块内部结构如图3所示。当输入光纤14、输出光纤13通过耦合透镜15与光纤16连通时，为高精度模式，输出基模，多光子聚合仅发生在能量高度聚焦的中心；当输入光纤14、输出光纤13通过耦合透镜15与涡旋光束整形部件17连通时，此时为高效率模式，光纤中传输的高斯光束经整形转换为结构化光场，例如涡旋光束，一个结构化光场可以被视为很多单点体积元的累加，同时又保持了超衍射分辨的特性。因此，采用结构化光场可以在提高加工效率的同时也保持飞秒激光微纳加工高分辨的特性。进一步的，涡旋光束的直径也可被调控，实现不同尺度的3D打印基本加工单元。
监测光学结构用于获取分析加工面位置，由可见光源6、光电探测器7和光纤环形器5组成。可见光源6发出的光束经光纤环形器5后入射到光纤微透镜中，通过光纤微透镜照射到光敏聚合物容器池11内，反射的光经光纤微透镜收集后由光纤耦合器4被反射至光电探测器7中检测反射信号，获取位置信息。其中，可见光源可采用低相干性的红色(660nm)LED，光电探测器可采用CCD相机。所述的光纤微透镜集成在光纤端面上，通过发射可见光束和收集反射光，由光电探测器7对干涉条纹或反射光强度进行监测，可以准确地确定加工面位置，这在连续液体界面制造过程中很有用。
由飞秒激光光源发射的激光经过模式选择模块，由集成在光纤端面的光纤微透镜出射，照射在光敏聚合物容器池11内，引发多光子聚合。使用的飞秒激光光源波长不受限制，比如位于光谱的近红外部分。使用的光敏聚合物包括负性、正性光敏聚合物材料，并且根据所需的三维物体的制造材料，光敏聚合物还可包括其他材料，例如玻璃、陶瓷、金属、半导体颗粒、纳米粒子等。
所述的控制器用于控制系统启闭和工作参数，还可以用于产生在微纳结构物体制造期间需使用的光刻数据，同时还可包括用于系统数据存储的数据库、输入接口、输出接口、通信接口、计算机可读媒体、处理器和应用程序。控制器可以是单片机等任何形式的计算机，各个机械部件和光学部件通过有线或无线网络与其相关联。
本实施例给出了一种基于光纤的微纳结构3D打印系统的打印方法流程示意图，如图2所示，包括：
1)启动系统，在光敏聚合物容器池11底部放置光纤、芯片基板、显微镜载玻片等，它们的上表面作为加工基面，并在光敏聚合物容器池11中灌装光敏聚合物；
2)获取待打印的微纳结构的三维模型数据，三维数据模型可以为SolidWorks、AutoCAD软件导出的STL文件模型，也可以是由控制器来生成的；按照由底层到顶层的方向进行切片，切片可使用商用软件进行；加工基面为最底层，将每层的结构特征数据转换为每层的写入序列及切片信息(即，第1层、第2层……第n层及各层图像)，作为3D打印过程中光纤微透镜的移动路径；
3)通过光学监测结构实时获取光纤微透镜收集到反射信号，获取加工面位置、被打印器件的结构信息；
4)开启飞秒激光光源，本实施例中，通过声光控制器控制飞秒激光器的开关，光纤微透镜对激光进行聚焦，激光的焦点即为飞秒激光多光子聚合打印的位置，根据最底层的写入序列信息对应轨迹控制运动平台带动集成光纤微透镜的光纤移动，逐点打印，直至该层对应二维结构打印成型，关闭飞秒激光光源；
5)通过调节模式选择模块控制光纤输出模式，在高精度运行模式下，可以选择基模高斯光束输出，在高效率运行模式下，可以实现高阶模式、环形光场等结构化焦场输出；
6)通过运动平台将光纤上移，重复步骤4)和步骤5)，直至遍历数据库中的所有数据，三维微纳结构制备完成，将其从光敏聚合物容器池11中移出，清洗掉未固化的光敏聚合物，关闭系统；
本发明所述的系统可以包括与图1和图2相比更多或更少的结构和流程，例如可以将模式选择模块设定为自动选择或手动选择输出模式，可以根据实施例的实际情况增加或减少操作步骤。此外，操作的顺序不被限制，尽管一些加工流程、数据处理是按顺序呈现的，但是各种操作可以是重复、并发顺序来执行。
通过上述方法，可实现以下微纳米尺度结构的制造：光纤微结构传感器、光子芯片、激光器、微透镜阵列等。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于光纤的微纳结构3D打印系统，其特征在于，包括：
光纤微透镜(1)、光纤(2)、运动平台(3)、光纤耦合器(4)、光学检测结构、飞秒激光光源(8)、模式选择模块(9)、光隔离器(10)、光敏聚合物容器池(11)、支撑结构(12)和控制器；
所述模式选择模块(9)用于根据打印模式确定输出模式，其中，所述打印模式包括高精度打印模式、高效率打印模式，所述输出模式包括基模高斯光束、结构化焦场；通过调节模式选择模块控制光纤输出光场模式，在高精度运行模式下，选择基模高斯光束输出，在高效率运行模式下，实现高阶模式、环形光场等结构化焦场输出；
所述光纤微透镜(1)与光纤(2)相连，所述光纤(2)安装于所述运动平台(3)上，所述运动平台(3)用于带动光纤(2)移动；
所述光敏聚合物容器池(11)、支撑结构(12)连接；
所述光纤耦合器(4)、所述光隔离器(10)、所述飞秒激光光源(8)及所述模式选择模块(9)依次相连；
光纤耦合器(4)还分别与光纤(2)、光纤环形器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤的微纳结构3D打印系统，其特征在于，光学检测结构包括光纤环形器(5)、可见光源(6)、光电探测器(7)，所述光纤环形器(5)分别与所述可见光源(6)及所述光电探测器(7)连接，所述光学检测结构用于获取加工面位置及被打印器件的结构信息。
3.根据权利要求1所述的基于光纤的微纳结构3D打印系统，其特征在于，所述光敏聚合物容器池(11)中包括：光纤、芯片基板、显微镜玻片及光敏聚合物，其中，所述光敏聚合物位于所述光纤、所述芯片基板、所述显微镜玻片的上表面上。
4.根据权利要求1所述的基于光纤的微纳结构3D打印系统，其特征在于，所述控制器用于控制系统启闭和工作参数。
5.一种基于光纤的微纳结构3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待打印微纳结构的三维模型数据，对所述三维模型数据进行处理，获得写入序列信息及切片信息；
获取加工面位置及被打印器件的结构信息；
基于所述写入序列信息、所述切片信息、所述加工面位置、所述被打印器件的结构信息进行3D打印，直至遍历完成所述写入序列信息及所述切片信息，完成打印；
获取所述加工面位置及被打印器件的结构信息的过程包括：可将光源发出的光束依次经过光纤环形器(5)、光纤耦合器(4)、光纤(2)后入射到光纤微透镜(1)中，照射到光敏聚合物容器池(11)中，反射的光经光纤微透镜收集后被反射至光电探测器(7)中检测反射信号，获得所述加工面位置；
进行3D打印的过程中还包括：从所述写入序列信息的最底层开始打印，通过光纤微透镜(1)对飞秒激光光源(8)发出的激光进行聚焦，获得焦点，所述激光聚焦之后照射在光敏聚合物容器池(11)内实现打印；
在进行聚焦之前还包括：所述飞秒激光光源(8)发射的激光经过模式选择模块(9)与光隔离器(10)后，由光纤(2)传递到光纤微透镜(1)；
所述模式选择模块(9)用于根据打印模式确定输出模式，其中，所述打印模式包括高精度打印模式、高效率打印模式，所述输出模式包括基模高斯光束、结构化焦场；通过调节模式选择模块控制光纤输出光场模式，在高精度运行模式下，选择基模高斯光束输出，在高效率运行模式下，实现高阶模式、环形光场等结构化焦场输出。
6.根据权利要求5所述的基于光纤的微纳结构3D打印方法，其特征在于，获取写入序列信息及切片信息的过程包括：采用切片的方式，将所述待打印微纳结构的三维模型数据每层的结构特征数据转换为每层的写入序列信息及切片信息，其中切片的方向为从底层向上进行切片。
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