CN209756093U - 一种紧凑型双光子3d打印机及打印系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种紧凑型双光子3D打印机及打印系统，包括水平单元和竖直单元；水平单元光路描述为：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，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进入XY二维振镜，经XY二维振镜反射进入所述竖直单元；光开关位于光路的任意位置；竖直单元光路描述为：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。本实用新型的光路设计合理，结构紧凑，体积小。
Description
技术领域
本实用新型涉及双光子3D打印技术，尤其涉及一种紧凑型双光子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打印机大多基于扫描显微镜改进而来，其本体多由一台商业化的显微镜组成，在显微镜的基础上还需要添加振镜、监控、照明以及相应的光路，因此整套结构十分臃肿，需要根据其光学组件对系统进行重构。
实用新型内容
本实用新型提供了一种紧凑型双光子3D打印机，其结构紧凑，体积是现有商业化的双光子3D打印机体积的二分之一左右。
具体技术方案如下：
一种紧凑型双光子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、分光立方体、分光片、功率计、XY二维振镜；
其光路描述为：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，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进入XY二维振镜，经XY二维振镜反射进入所述竖直单元；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。
本实用新型的光路设计合理，结构紧凑，体积较小。
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。
最优选的，所述水平单元包括：1/2波片、第一反射镜、第一分光立方体、第二反射镜、光开关、分光片、功率计、XY二维振镜、扫描透镜、第三反射镜、套筒透镜、第四反射镜；
其光路描述为：激光经1/2波片后经第一反射镜反射至第一分光立方体，之后分为两路分光：一路分光被第二反射镜反射出打印机，为外接监控做预留；另一路分光通过分光片，一部分透射后被功率计7接收，另一部分反射进入XY二维振镜，之后再经过扫描透镜、第三反射镜、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。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
本实用新型的光路设计合理，结构紧凑，其体积是现有商业化的双光子3D打印机体积的二分之一左右。
附图说明
图1为本实用新型紧凑型双光子3D打印系统的结构示意图；
图2为紧凑型双光子3D打印机水平布置的第一部分的结构示意图；
图3为紧凑型双光子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紧凑型双光子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。
图2为水平布置的第一部分的结构示意图。第一部分包括：1/2波片1、第一反射镜2、第一分光立方体3、第二反射镜4、光开关5、分光片6、功率计7、XY二维振镜8、扫描透镜9、第三反射镜10、套筒透镜11、第四反射镜12。
第一部分的光路描述如下：激光经1/2波片1优化偏振方向后经第一反射镜2反射至偏振分光立方体3，经第一分光立方体3后光路分为两路，一路分光被第二反射镜4反射出打印机，为外接监控做预留，另一路分光经过光开关5后通过分光片6(R∶T＝80∶20)，其中20％能量激光透射后被功率计7接收，80％能量激光反射进入XY二维振镜8，之后再经过扫描透镜9、第三反射镜10、套筒透镜11、第四反射镜12后进入竖直布置的第二部分13。
通过旋转1/2波片1可以调节到达第二反射镜4和光开关5的分光比。
光开关5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7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8可以选用扫描振镜或者高速共振扫描头。
图3为竖直布置的第二部分的结构示意图。第二部分13包括：二向色镜14、物镜15、XY轴电动平移台16、PZT台17、俯仰调节架18、样品架悬臂19、样品架20、顶部LED光源21、成像透镜22、第五反射镜23、第二分光立方体24、CMOS相机25和底部LED光源26。
二向色镜14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：经第四反射镜12反射的激光由二向色镜14反射进入物镜15，通过物镜聚焦到样品；照明光路由虚线表示，顶部LED光源21和底部LED光源26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22、第五反射镜23、第二分光立方体24进入CMOS相机25，从而实现对打印情况的实时观测。
样品被固定在样品架20上，样品架20通过样品架悬臂19和俯仰调节架18固定，俯仰调节架18置于PZT台17上方，PZT台17又置于XY轴电动平移台16上方。通过控制XY轴电动平移台16可以对样品进行XY平面内的大范围粗调，通过PZT台17可以对样品进行XYZ三个维度的小范围精调，俯仰调节架18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8、XY轴电动平移台16、PZT台17以及数据采集卡。
本实用新型对双光子3D打印机的结构进行了优化设计，使其结构更加紧凑，最终实现水平层尺寸控制在500mm×360mm，竖直层尺寸控制在高390mm，其体积是现有商业化的双光子3D打印机体积的二分之一左右。
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)
1.一种紧凑型双光子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、分光立方体、分光片、功率计、XY二维振镜；
其光路描述为：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，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进入XY二维振镜，经XY二维振镜反射进入所述竖直单元；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.根据权利要求1所述的紧凑型双光子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。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑型双光子3D打印机，其特征在于，所述水平单元包括：1/2波片、第一反射镜、第一分光立方体、第二反射镜、光开关、分光片、功率计、XY二维振镜、扫描透镜、第三反射镜、套筒透镜、第四反射镜；
其光路描述为：激光经1/2波片后经第一反射镜反射至第一分光立方体，之后分为两路分光：一路分光被第二反射镜反射出打印机，为外接监控做预留；另一路分光通过分光片，一部分透射后被功率计7接收，另一部分反射进入XY二维振镜，之后再经过扫描透镜、第三反射镜、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。
4.根据权利要求1所述的紧凑型双光子3D打印机，其特征在于，所述的分光片的透射光与反射光的能量比为2∶8。
5.根据权利要求1所述的紧凑型双光子3D打印机，其特征在于，所述的光开关为机械开关、液晶光束快门或声光调制器。
6.根据权利要求1所述的紧凑型双光子3D打印机，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的紧凑型双光子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。
8.根据权利要求1所述的紧凑型双光子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8所述的紧凑型双光子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。
10.一种紧凑型双光子3D打印系统，其特征在于，包含权利要求1～9任一项所述的紧凑型双光子3D打印机。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201920361835.8U CN209756093U (zh) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | 一种紧凑型双光子3d打印机及打印系统 |
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ID=68755550
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN209756093U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112428581A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种应用于3d打印高精度激光空间选择固化联动系统 |
| CN113084201A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-07-09 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 一种具有偏振激光控制的3d打印设备及其打印方法 |
| WO2023118759A1 (fr) | 2021-12-23 | 2023-06-29 | Addup | Dispositif de surveillance et/ou de controle de puissance d'un faisceau laser pour fabrication additive |
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2019
- 2019-03-20 CN CN201920361835.8U patent/CN209756093U/zh active Active
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