CN209756092U - 一种可切换打印模式的双光子3d打印机及打印系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可切换打印模式的双光子3D打印机及打印系统，包括水平单元和竖直单元；水平单元光路为激光照射分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，一部分经分光片反射后可经过两种光路：一种光路是分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜；另一种光路是分光片反射光经反射镜反射至XY二维振镜；竖直单元光路为来自水平单元的激光由二向色镜反射进入物镜，通过物镜将其聚焦到固定在样品架上的样品上，进行双光子3D打印；照明光源发出的照明光照明样品，样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后在CMOS相机成像。该双光子3D打印机在一次打印过程中可自由切换打印模式。

Description

一种可切换打印模式的双光子3D打印机及打印系统

技术领域

本实用新型涉及双光子3D打印技术，尤其涉及一种可切换打印模式的双光子3D打印机及打印系统。

背景技术

双光子3D打印，又称为飞秒激光诱导双光子聚合3D打印，是一种极具潜力的新型的激光直写3D打印技术，可以应用在许多高精尖领域，如：微纳光子学、微电子系统、微流控、生物医学以及微型器件等。

飞秒激光是一种脉冲激光，一般单脉冲持续时间在几十到几百飞秒量级；双光子聚合是一种光固化效应，某些材料分子在吸收两个相同或不同波长光子后会发生聚合效应，从液态转换为固态；激光直写是指控制激光焦点，在二维平面或三维空间内进行逐点扫描加工。

双光子3D打印是一种强大的微纳加工技术，可以实现100nm级甚至更精细的精密结构加工。一个典型的双光子打印系统由以下几个部分组成：

(1)一台飞秒激光器；

(2)一个扫描系统；

(3)光学聚焦器件；

(4)一个光强控制元件以及一个光开关；

(5)一台安装有控制软件的电脑。

激光束由飞秒激光器发出，经过光强控制元件和光开关，由光学聚焦器件紧聚焦到光刻胶内部，焦点处的光刻胶会发生双光子聚合效应从而由液态转变为固态，通过软件控制扫描系统使得激光焦点在光刻胶内部逐层扫描，实现3D打印。

目前商业化的双光子3D打印机大多基于逐点扫描原理，虽然逐点扫描可以获得更高的分辨率，但打印速度较慢，而基于面曝光原理可以很好解决速度的问题，但是精度相对较低。

现有双光子3D打印机只有一种打印模式，为逐点扫描打印模式或面曝光打印模式，在一次打印过程中很难切换两种打印模式。

实用新型内容

本实用新型提供了一种可切换打印模式的双光子3D打印机，该双光子3D打印机同时具有逐点扫描打印模块和面曝光打印模块，可通过切换两种打印模块来实现打印模式的切换。

具体技术方案如下：

一种可切换打印模式的双光子3D打印机，包括水平单元和竖直单元；

所述水平单元包括：光开关、分光片、打印模块、功率计、XY二维振镜；所述的打印模块包括面曝光打印模块和逐点扫描打印模块，所述面曝光打印模块包括空间光调制器、第一反射镜和第二反射镜，所述逐点扫描打印模块包括反射镜；通过切换两种打印模块可切换双光子3D打印机的打印模式；

其光路描述为：激光照射分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，另一部分经分光片反射后可经过两种光路：打印模块为面曝光打印模块时的光路为分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜；打印模块为逐点扫描打印模块时的光路为分光片反射光经反射镜反射至XY二维振镜；所述光开关位于光路的任意位置；

所述竖直单元包括：二向色镜、物镜、XY轴电动平移台以及固定其上的样品架、照明光源、成像透镜、CMOS相机；

其光路描述为：经XY二维振镜反射的激光由二向色镜反射进入物镜，通过物镜将其聚焦到固定在样品架上的样品上，进行双光子3D打印；照明光源发出的照明光照明样品，样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后在CMOS相机成像。

该双光子3D打印机具有独立的面曝光打印模块和逐点扫描打印模块，可通过切换两种打印模块来切换双光子3D打印机的打印模式。

本实用新型还提供了另外一种可切换打印模式的双光子3D打印机，该双光子3D打印机的分光片和打印模块的相对位置可调，通过调整分光片与打印模块之间的相对位置可改变打印机的光路，从而实现打印模式的切换。

具体技术方案如下：

一种可切换打印模式的双光子3D打印机，包括水平单元和竖直单元；

所述水平单元包括：光开关、分光片、打印模块、功率计、XY二维振镜；所述的打印模块包括空间光调制器、第一反射镜和第二反射镜；分光片和打印模块的相对位置可调节，通过调节分光片和打印模块的相对位置可切换双光子3D打印机的打印模式；

其光路描述为：激光照射分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，另一部分经分光片反射后可经过两种光路：一种光路是分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜；另一种光路是分光片反射光经第二反射镜反射至XY二维振镜；所述光开关位于光路的任意位置；

所述竖直单元包括：二向色镜、物镜、XY轴电动平移台以及固定其上的样品架、照明光源、成像透镜、CMOS相机；

其光路描述为：经XY二维振镜反射的激光由二向色镜反射进入物镜，通过物镜将其聚焦到固定在样品架上的样品上，进行双光子3D打印；照明光源发出的照明光照明样品，样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后在CMOS相机成像。

该双光子3D打印机在打印过程中，可通过改变分光片与打印模块的相对位置，实现面曝光打印模式与逐点扫描打印模式之间的切换。

优选的，所述的水平单元具有分光立方体，激光经分光立方体后分为两路分光：一路分光预留外接监控；另一路分光照射分光片。

优选的，所述的水平单元具有1/2波片；激光经1/2波片优化偏振方向后进入分光立方体。1/2波片可对激光的偏振方向进行优化，使进入后续光路的激光质量更高，使双光子3D打印效果更好；并且通过旋转1/2波片可以调节两路分光的分光比。

所述的分光片的透射光与反射光的能量比为2∶8。

所述的光开关为机械开关、液晶光束快门或声光调制器。

所述的功率计为光电二极管探头、积分球探头、热功率探头或热释电探头。

所述的XY二维振镜为扫描振镜或高速共振扫描头。

所述的空间光调制器为SLM空间光调制器或DMD数字微镜。

最优选的，所述水平单元包括：1/2波片、第一分光立方体、光束整形组件、光开关、第三反射镜、分光片8、功率计9、打印模块10、XY二维振镜、扫描透镜、套筒透镜、第四反射镜；所述光束整形组件包括第一透镜、针孔和第二透镜；所述打印模块包括空间光调制器、第一反射镜和第二反射镜；

其光路描述为：激光经1/2波片优化偏振方向后进入第一分光立方体，之后分为两路分光：一路分光照预留外接监控；另一路分光依次透过第一透镜、针孔和第二透镜进行光束整形，之后经第三反射镜反射进入分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，另一部分经分光片反射后可经过两种光路：一种光路是分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜，之后再经过扫描透镜、套筒透镜、第四反射镜后进入所述竖直单元；另一种光路是分光片反射光经第二反射镜反射至XY二维振镜，之后再经过扫描透镜、套筒透镜、第四反射镜后进入所述竖直单元；所述光开关位于光路的任意位置。

该光路更加紧凑，使得双光子3D打印机的体积更加小巧。

所述的竖直单元具有：

XY轴电动平移台，用于对样品进行XY平面内的粗调；

PZT台，设置在XY轴电动平移台上，用于对样品进行XYZ三个维度的精调；

俯仰调节架，设置在PZT台上，用于调整样品的水平状态；

样品架悬臂，设置在俯仰调节架上；

样品架，设置在样品架悬臂上，用于固定样品。

优选的，所述的竖直单元具有：顶部照明光源、成像透镜、第五反射镜、第二分光立方体、底部照明光源和CMOS相机；

顶部照明光源产生照明光从上方照明样品，底部照明光源产生照明光，经第二分光立方体和第五反射镜后透过成像透镜和二向色镜后从下方照明样品；

样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后经第五反射镜反射，透过第二分光立方体后在CMOS相机成像。

样品照明光路采用上下两个光源对样品进行照明，使样品的成像效果更好，从而实现对打印情况的实时精确观测。

本实用新型还提供了一种包含所述可切换打印模式的双光子3D打印机的双光子3D打印系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的双光子3D打印机同时具有逐点扫描打印模块和面曝光打印模块，在一次打印过程中可自由切换两种打印模块，实现打印模式的切换；同时，其光路设计合理，结构紧凑，体积小。

附图说明

图1为本实用新型双光子3D打印系统的结构示意图；

图2为第一种实施例双光子3D打印机水平布置的第一部分的结构示意图；

图3为第二种实施例双光子3D打印机水平布置的第一部分的结构示意图；

图4为双光子3D打印机竖直布置的第二部分的结构示意图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，下面结合优选实施例及其附图对本实用新型可切换打印模式的双光子3D打印系统作进一步详细描述。

本实用新型紧凑型双光子3D打印系统的一个具体实施方式如图1所示，包括一张光学平台A、一台780nm飞秒激光器B、一台双光子打印机C、一台控制驱动机E以及一台PC主机F。双光子打印机C与控制驱动机E之间通过通讯电缆D连接。

其中PC主机F和控制驱动机箱E直接放置于地面，不占用光学平台A桌面空间，光学平台A为隔振平台，保证高精度打印时的稳定性。其中的飞秒激光器B可为自主开发，也可选用商用激光器，只要激光稳定达到项目要求即可。

双光子打印机C大体由两部分组成，第一部分为水平布置，第二部分为竖直布置，两部分交叉设置。

水平布置的第一部分至少有两种实施方式。

第一种实施方式如图2所示，第一部分包括：1/2波片1、偏振分光立方体2、光束整形组件(包括透镜3、针孔4和透镜5)、光开关6、反射镜7、分光片8(R∶T＝80∶20)、功率计9、面曝光打印模块10(由空间光调制器10-1、反射镜10-2、反射镜10-3组成)、逐点扫描打印模块11(由反射镜11-1组成)、XY二维振镜12、扫描透镜13、套筒透镜14、反射镜15。

面曝光打印模块10和逐点扫描打印模块11是两个独立的打印模块，与双光子3D打印机可拆卸连接，通过切换两个打印模块可实现双光子3D打印机两种打印模式的切换。

第一部分的光路描述如下：激光经1/2波片1优化偏振方向后进入偏振分光立方体2，经偏振分光立方体2后光路分为两路，一路分光被反射出打印机，为外接监控做预留；另一路分光依次通过透镜3、针孔4和透镜5进行光束整形，之后经过光开关6后被反射镜7反射到分光片8，其中20％能量激光透射后被功率计9接收，用于功率稳定性的监控，另外80％能量激光可经过以下两种光路，分别实现面曝光打印模式和逐点扫描打印模式：接入面曝光打印模块10时，另外80％能量激光反射照明空间光调制器10-1，空间光调制器10-1对照明激光进行调制生成打印图像，打印图像依次经反射镜10-3和反射镜10-2反射，进入XY二维振镜12，之后再经过扫描透镜13、套筒透镜14、反射镜15后进入竖直布置的第二部分16，实现面曝光打印模式；接入逐点扫描打印模块11时，另外80％能量激光反射至反射镜11-1，再被反射镜11-1反射至XY二维振镜12，之后再经过扫描透镜13、套筒透镜14、反射镜15后进入竖直布置的第二部分16，实现逐点扫描打印模式。

第二种实施方式如图3所示，第一部分包括：1/2波片1、偏振分光立方体2、光束整形组件(包括透镜3、针孔4和透镜5)、光开关6、反射镜7、分光片8(R∶T＝80∶20)、功率计9、打印模块10(由空间光调制器10-1、反射镜10-2、反射镜10-3组成)、XY二维振镜12、扫描透镜13、套筒透镜14、反射镜15。

第一部分的光路描述如下：激光经1/2波片1优化偏振方向后进入偏振分光立方体2，经偏振分光立方体2后光路分为两路，一路分光被反射出打印机，为外接监控做预留；另一路分光依次通过透镜3、针孔4和透镜5进行光束整形，之后经过光开关6后被反射镜7反射到分光片8，其中20％能量激光透射后被功率计9接收，用于功率稳定性的监控，另外80％能量激光可经过以下两种光路，分别实现面曝光打印模式和逐点扫描打印模式：第一种是另外80％能量激光反射照明空间光调制器10-1，空间光调制器10-1对照明激光进行调制生成打印图像，打印图像依次经反射镜10-3和反射镜10-2反射，进入XY二维振镜12，之后再经过扫描透镜13、套筒透镜14、反射镜15后进入竖直布置的第二部分16，实现面曝光打印模式；另一种是另外80％能量激光反射至反射镜10-2，再被反射镜10-2反射至XY二维振镜12，之后再经过扫描透镜13、套筒透镜14、反射镜15后进入竖直布置的第二部分16，实现逐点扫描打印模式。

第二种实施方式可通过两种方式实现两种打印模式的自动切换：

第一种方式是：分光片8可左右移动，分光片8位于左边位置时，光线从分光片8进入空间光调制器10-1，实现面曝光打印模式；分光片8位于右边位置时，光线从分光片8直接入射到反射镜10-2，实现逐点扫描打印模式。

第二种方式是：整个打印模块10可左右移动，打印模块10移动到右边位置时，光线从分光片8进入空间光调制器10-1，实现面曝光打印模式；打印模块10移动到左边位置，光线从分光片8直接入射到反射镜10-2，实现逐点扫描模式。

分光片8与打印模块10之间的相对运动利用步进电机等自动装置实现。

通过旋转1/2波片1可以调节到达光束整形组件的分光比。

光开关6可以摆放在光路的任意位置，可以选用机械开关、液晶光束快门或者AOM(声光调制器)等。

功率计9可以选用光电二极管探头、积分球探头、热功率探头或者热释电探头。

XY二维振镜12可以选用扫描振镜或者高速共振扫描头。

该部分的空间光调制器10-1可以选用SLM空间光调制器或者DMD数字微镜。

图4为竖直布置的第二部分的结构示意图。第二部分16包括：二向色镜17、物镜18、XY轴电动平移台19、PZT台20、俯仰调节架21、样品架悬臂22、样品架23、顶部LED光源24、成像透镜25、反射镜26、第二分光立方体27、CMOS相机28和底部LED光源29。

二向色镜17对飞秒激光波段的光进行反射，对LED灯波段的光进行透射。

第二部分的光路描述如下：来自第一部分的激光由二向色镜17反射进入物镜18，通过物镜聚焦到样品；照明光路由虚线表示，顶部LED光源24和底部LED光源29分别从上下两个方向对样品进行照明，样品的打印图像通过成像透镜25、反射镜26、第二分光立方体27进入CMOS相机28，从而实现对打印情况的实时观测。

样品被固定在样品架23上，样品架23通过样品架悬臂22和俯仰调节架21固定，俯仰调节架21置于PZT台20上方，PZT台20又置于XY轴电动平移台19上方。通过控制XY轴电动平移台19可以对样品进行XY平面内的大范围粗调，通过PZT台20可以对样品进行XYZ三个维度的小范围精调，俯仰调节架21用于优化样品水平位置。

控制驱动机E主要用于控制驱动双光子打印机中部分电控元件，主要包括XY二维振镜12、XY轴电动平移台19、PZT台20以及数据采集卡。

本实用新型对整套双光子3D打印系统的光路进行了重新规划，对双光子3D打印机结构进行了定制化设计，实现了逐点扫描打印与面曝光打印双模式的自由切换。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，包括水平单元和竖直单元；

所述水平单元包括：光开关、分光片、打印模块、功率计、XY二维振镜；所述的打印模块包括面曝光打印模块和逐点扫描打印模块，所述面曝光打印模块包括空间光调制器、第一反射镜和第二反射镜，所述逐点扫描打印模块包括反射镜；通过切换两种打印模块可切换双光子3D打印机的打印模式；

其光路描述为：激光照射分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，另一部分经分光片反射后可经过两种光路：打印模块为面曝光打印模块时的光路为分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜；打印模块为逐点扫描打印模块时的光路为分光片反射光经反射镜反射至XY二维振镜；所述光开关位于光路的任意位置；

所述竖直单元包括：二向色镜、物镜、XY轴电动平移台以及固定其上的样品架、照明光源、成像透镜、CMOS相机；

其光路描述为：经XY二维振镜反射的激光由二向色镜反射进入物镜，通过物镜将其聚焦到固定在样品架上的样品上，进行双光子3D打印；照明光源发出的照明光照明样品，样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后在CMOS相机成像。

2.一种可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，包括水平单元和竖直单元；

所述水平单元包括：光开关、分光片、打印模块、功率计、XY二维振镜；所述的打印模块包括空间光调制器、第一反射镜和第二反射镜；分光片和打印模块的相对位置可调节，通过调节分光片和打印模块的相对位置可切换双光子3D打印机的打印模式；

其光路描述为：激光照射分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，另一部分经分光片反射后可经过两种光路：一种光路是分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜；另一种光路是分光片反射光经第二反射镜反射至XY二维振镜；所述光开关位于光路的任意位置；

所述竖直单元包括：二向色镜、物镜、XY轴电动平移台以及固定其上的样品架、照明光源、成像透镜、CMOS相机；

其光路描述为：经XY二维振镜反射的激光由二向色镜反射进入物镜，通过物镜将其聚焦到固定在样品架上的样品上，进行双光子3D打印；照明光源发出的照明光照明样品，样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后在CMOS相机成像。

3.根据权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述的水平单元具有分光立方体，激光经分光立方体后分为两路分光：一路分光照预留外接监控；另一路分光照射分光片。

4.根据权利要求3所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述的水平单元具有1/2波片；激光经1/2波片优化偏振方向后进入分光立方体。

5.根据权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述水平单元包括：1/2波片、第一分光立方体、光束整形组件、光开关、第三反射镜、分光片(8)、功率计(9)、打印模块(10)、XY二维振镜、扫描透镜、套筒透镜、第四反射镜；所述光束整形组件包括第一透镜、针孔和第二透镜；所述打印模块包括空间光调制器、第一反射镜和第二反射镜；

其光路描述为：激光经1/2波片优化偏振方向后进入第一分光立方体，之后分为两路分光：一路分光照预留外接监控；另一路分光依次透过第一透镜、针孔和第二透镜进行光束整形，之后经第三反射镜反射进入分光片，一部分透射分光片后被功率计接收，另一部分经分光片反射后可经过两种光路：一种光路是分光片反射光照明空间光调制器，生成打印图像，打印图像依次经过第一反射镜和第二反射镜，进入XY二维振镜，之后再经过扫描透镜、套筒透镜、第四反射镜后进入所述竖直单元；另一种光路是分光片反射光经反射镜反射至XY二维振镜，之后再经过扫描透镜、套筒透镜、第四反射镜后进入所述竖直单元；所述光开关位于光路的任意位置。

6.根据权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述的XY二维振镜为扫描振镜或高速共振扫描头。

7.根据权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述的空间光调制器为SLM空间光调制器或DMD数字微镜。

8.根据权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述的竖直单元具有：

XY轴电动平移台，用于对样品进行XY平面内的粗调；

PZT台，设置在XY轴电动平移台上，用于对样品进行XYZ三个维度的精调；

俯仰调节架，设置在PZT台上，用于调整样品的水平状态；

样品架悬臂，设置在俯仰调节架上；

样品架，设置在样品架悬臂上，用于固定样品。

9.根据权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机，其特征在于，所述的竖直单元具有：顶部照明光源、成像透镜、第五反射镜、第二分光立方体、底部照明光源和CMOS相机；

顶部照明光源产生照明光从上方照明样品，底部照明光源产生照明光，经第二分光立方体和第五反射镜后透过成像透镜和二向色镜后从下方照明样品；

样品的打印图像透过二向色镜和成像透镜后经第五反射镜反射，透过第二分光立方体后在CMOS相机成像。

10.一种可切换打印模式的双光子3D打印系统，其特征在于，包含权利要求1或2所述的可切换打印模式的双光子3D打印机。