相信絕大多數(shù)人對“3D打印”這個概念并不會感到陌生，因為桌面級家用小型3D打印機早已走入了千家萬戶，也有眾多的學(xué)?；驒C構(gòu)購買了專業(yè)級3D打印機供學(xué)生或用戶使用，以3D打印機為核心的教育課程也如雨后春筍般在各個大城市中出現(xiàn)。
從各個方面看，目前的3D打印都已經(jīng)進入到了細分市場的階段：從價格上來看，有較為便宜的家用桌面級小型3D打印機，也有較為昂貴的用于實際工業(yè)生產(chǎn)的大型工業(yè)級3D打印機；從打印用到的材料來看，有的是樹脂、塑料，有的是金屬，有的甚至用黏土。
以黏土為原材料的3D打印機
不過，由于通常的3D打印機都是基于“分層制造”的原理工作的，因此無論是桌面級還是工業(yè)級，3D打印的物體層的精度很受限，存在所謂的“臺階效應(yīng)”，這使得3D打印機很難制造低粗糙度、高精度的器件，如各種光學(xué)元件、微納尺度的結(jié)構(gòu)器件等等。
今天要給大家介紹的技術(shù)則從另一個角度出發(fā)，很大程度上改善了粗糙度和精度的問題，它被稱為雙光子3D打印，準確地說應(yīng)該稱為“雙光子激光直寫技術(shù)”，也被稱為“雙光子聚合技術(shù)（Two－photon polymerization （2PP） technology）”。
要準確描述這項技術(shù)，首先要了解清楚什么叫做“雙光子吸收效應(yīng)”。
雙光子吸收效應(yīng)
物質(zhì)可以對光產(chǎn)生吸收，這一點我們非常熟悉。有一些造物技術(shù)就是基于這一點，例如，用紫外光照射光敏聚合物，被照射到的地方逐漸產(chǎn)生固化，由液態(tài)、膠態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。這項技術(shù)的一個常見應(yīng)用就是牙科診所中用光敏物質(zhì)填補牙齒。
絕大多數(shù)物質(zhì)對光的吸收都是將一個光子作為基礎(chǔ)單位進行吸收的，一次只能吸收一個光子。但是在有些特殊物質(zhì)中，由于存在特殊的能級躍遷模式，也會出現(xiàn)同時吸收多個（幾個甚至幾十個）光子的情況，這就是“多光子吸收效應(yīng)”。
但該效應(yīng)的條件非?？量?，往往要求特定的物質(zhì)和極高的能量密度。雙光子吸收效應(yīng)是該類效應(yīng)中的一種典型代表。在雙光子吸收過程中，材料分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，中間經(jīng)過一個虛能級完成。
通常情況下，物質(zhì)與光的相互作用是一種線性作用。常見的物體對特定波長的光透過率吸收率是一定的，這個比例并不會隨著光強度變化而變化，因此這種作用是線性的。但是雙光子吸收卻是一種三階非線性效應(yīng)，即隨著光能量密度的增加，該效應(yīng)會快速加強。
線性和非線性吸收效應(yīng)曲線示意圖
借助于這種非線性的雙光子吸收效應(yīng)，科學(xué)家將微納尺度的3D打印變成了現(xiàn)實。
只有當光強增強到一定值，才會出現(xiàn)較為明顯的雙光子吸收效應(yīng)，利用這一點，我們可以通過將激光聚焦的方式，將反應(yīng)區(qū)域局限在焦點附近極小的位置。并且通過精密移動臺納米量級的移動，使該焦點在光敏物質(zhì)內(nèi)移動，聚焦的微納光斑經(jīng)過的位置，光敏物質(zhì)產(chǎn)生變性和固化，因此可以打印任意形狀的3D物體。
使用這種方式打印的微納物體最大的特點是精度高，理論精度可以達到100nm作用，這是傳統(tǒng)3D打印方法難以企及的。
雙光子激光直寫技術(shù)原理示意圖
科研上的應(yīng)用
這種微納尺度的3D打印機給科學(xué)家提供了一種強有力的手段，來設(shè)計和加工多種多樣以往只能夠進行仿真模擬的微納結(jié)構(gòu)，通過實際實驗檢驗它們的性質(zhì)。尤其是在光學(xué)研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多以雙光子激光直寫技術(shù)為基礎(chǔ)的研究工作。
雙光子直寫技術(shù)加工的三維光子晶體
上圖是科研中雙光子激光直寫技術(shù)實際應(yīng)用的一個例子，科學(xué)家使用該技術(shù)制作了三維的光子晶體。光子晶體（Photonic Crystal）是一種人工微納結(jié)構(gòu)，它由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成，具有特殊的光子帶隙，因而擁有很多奇異的光學(xué)性質(zhì)。這種微納周期結(jié)構(gòu)加工起來非常困難，但使用雙光子激光直寫技術(shù)，則可以非常方便的加工出來。
除了光子晶體，雙光子激光直寫技術(shù)還用于加工微納尺度的光學(xué)元件，下圖就是這樣一個例子。
雙光子直寫技術(shù)制作的內(nèi)窺鏡
我們都知道，內(nèi)窺鏡技術(shù)為醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷等領(lǐng)域提供了強力的手段，對于內(nèi)窺鏡，相信大家最為熟悉的就是胃鏡。醫(yī)生將通過光導(dǎo)纖維相連的內(nèi)窺鏡通過食道插入胃部，可以借此觀察胃部圖像，對檢測黏膜損傷、內(nèi)潰瘍、胃出血等癥狀提供直接證據(jù)。
2016年Nature Photonics發(fā)表了一篇文章，科學(xué)家利用雙光子激光直寫技術(shù)在光纖頂端不到一百多微米的尺度范圍內(nèi)加工了成像效果良好的透鏡組，制成了目前世界上最小的內(nèi)窺鏡。
雙光子直寫技術(shù)加工的單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的成像效果。a，單透鏡、雙透鏡和三透鏡組的光路設(shè)計圖；b，成像效果仿真模擬圖；c，單透鏡、雙透鏡和三透鏡組剖面的電子顯微鏡照片；d，實驗實際得到的成像效果圖
藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用
當然，除了科研領(lǐng)域外，該項技術(shù)越來越多的被利用在藝術(shù)領(lǐng)域。
2014年，南非藝術(shù)家Jonty Hurwitz與Weitzmann Institute of Science的科學(xué)家們合作，利用該技術(shù)制成了世界上最小的雕塑。
首先他們通過三維掃描技術(shù)掃描并記錄了人體模特身體的三維空間信息，然后將其轉(zhuǎn)化為空間坐標。再然后，他們利用雙光子激光直寫技術(shù)，在一根針的針孔里制作了該人體模特的微納雕塑，這是世界上最小的人體雕塑，并獲得了吉尼斯世界紀錄的正式認證。
雙光子激光直寫技術(shù)制作的世界最小的人體雕塑
其他利用該項技術(shù)加工的微納雕塑作品也有很多，例如下圖就是利用勃蘭登堡門的模型。
利用雙光子直寫技術(shù)制作的勃蘭登堡門模型
也有人利用這項技術(shù)制作了虛擬人物的雕塑，還有人制作了微納尺度賽車和房子的模型等等?？傊?，人們可以在此基礎(chǔ)上充分放飛自己的想象力，制作各種各樣的藝術(shù)品。唯一美中不足的是，這些藝術(shù)品往往都需要在電子顯微鏡下觀看。
利用雙光子激光直寫技術(shù)加工的虛擬人物頭像
利用雙光子激光直寫技術(shù)制作的賽車和房屋模型
不足之處
雖然雙光子激光直寫技術(shù)在微納尺度加工領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢，但缺點也同樣明顯。
用于雙光子激光直寫技術(shù)的光敏物質(zhì)種類很有限，往往只能加工光刻膠等特殊物質(zhì)；與老式膠片拍攝圖像的過程有些類似，光敏物質(zhì)經(jīng)過雙光子激光直寫后，往往也需要顯影和定影等過程，將打印的3D物體固定下來，因此加工過程更為繁瑣；由于加工精度高，而且往往是單點掃描加工，因此速率較慢，雖然不少改進版本的產(chǎn)品加入了振鏡系統(tǒng)，可以提高加工效率，但相比之下仍耗時許久，再加上高精度平移臺要借助壓電陶瓷實現(xiàn)，行程較短，雖然可以通過機械移動臺進行拼接，但是拼接處加工精度會陡然降低，因此該技術(shù)目前尚難以加工大尺度的產(chǎn)品。
此外，這項技術(shù)能夠成功的關(guān)鍵很大程度上是納米級移動精度的三維平移臺，因此運動模塊極其精密且昂貴，更需要相應(yīng)的檢測和控制系統(tǒng)，下圖是一臺典型雙光子直寫儀的基本配置，包括基本光學(xué)系統(tǒng)、振鏡模塊、定位系統(tǒng)（包括機械移動和壓電陶瓷移動）、自動聚焦顯微系統(tǒng)、高精度顯微相機和配套軟件，可以看出，這樣一套系統(tǒng)需要從軟件到硬件的深度開發(fā)，所以通常設(shè)備價格高昂。
典型的雙光子直寫儀基本配置
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