[发明专利]多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法

说明书

一种多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法，本发明的核心是利用时空聚焦技术对飞秒激光脉冲进行时空整形，操控入射脉冲光束时空特性，同时利用空间波前矫正技术对像差进行补偿，实现打印材料中不同尺度的三维对称焦斑形状，从而进行不同尺度的三维物体光固化成型。本发明具有有效、高速、精度可控等特点，能够实现不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物医学功能器官制造、激光三维加工与显示等领域均有着重要的潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及光固化成型3D打印,特别是一种多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法。

背景技术

1986年美国博士Charles Hull在其博士毕业论文中提出光固化三维快速成型技术并申请了相关专利，其原理是使用激光固化液态树脂成型，现在通常成为SLA技术(Stereo lithography Appearance)。SLA是最早提出并实现商业应用的成型技术。由于该技术成熟度高，精度高，适用面广等特点，自从登上历史舞台后就受到了极大关注，基于SLA技术的打印方法和设备层出不穷。时至今日，基于SLA技术的3D打印在诸多领域如工业制造领域的设计验证、小批量试制和蜡膜铸造；生物医疗领域中齿科和骨科功能器官制造以及文物和艺术品仿制等方面均有着广泛和重要的应用。

传统的基于SLA技术的3D打印机利用的是UV紫外激光器进行光敏打印材料的固化，由于机理为单光子聚合，其打印精度受到了一定的限制。飞秒激光以其成像精度高、热效应小以及可以对透明材料实现三维扫描与加工等优点在聚合、加工等诸多领域有重要的潜在应用前景(参见文献Sugioka,K.&Cheng,Y.Ultrafast lasers—reliable tools foradvanced materials processing.Light:Sci.Appl.3,e149 2014)。飞秒激光能通过非线性过程实现光固化材料的双光子聚合，具备高分辨的三维成型能力。利用飞秒激光进行双光子聚合在各领域已有着广泛应用(参见文献Xing J F,Zheng M L,Duan X M.,Two-photon polymerization microfabrication of hydrogels:an advanced 3D printingtechnology for tissue engineering and drug delivery.Chemical Society Reviews,2015,44(15):5031-5039.)。市场上已经有高精度的飞秒激光3D打印设备问世。目前基于非线性光固化过程的飞秒激光3D打印技术聚焦光斑小，精度高，需要数值孔径(NA)较高的物镜来实现。若通过降低NA来进行较大分辨率的三维成型，此时瑞利距离将急剧变长，焦斑在轴向变得狭长，降低成型时的轴向分辨率，极大破坏3D打印的成型质量。因此，目前1μm-100μm分辨率的3D打印仍缺少有效的技术方案和解决手段。

发明内容

本发明旨在提供一种多分辨率飞秒激光3D打印装置和打印方法，该装置具有有效、高速、精度可控等特点，能够实现不同尺度的光固化3D成型和打印，在激光3D打印、模具制造、生物医学功能器官制造、激光三维加工与显示等领域均有着重要的潜在应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种多分辨率飞秒激光3D打印装置，其特点是该装置包括沿飞秒激光脉冲的输出方向依次是展宽器、放大器、可变焦的凸透镜和凹透镜、可调衰减片、第一光栅、第二光栅、空间光调制器、第一凸透镜、平面反射镜、第二凸透镜、分色镜、平场透镜和位于三维平移台上的打印材料，在所述的打印材料的反射光方向依次是平场透镜、分色镜、第三凸透镜和CCD，所述的飞秒激光脉冲聚焦在所述的三维平移台上放置的光固化打印材料中，第三凸透镜和CCD接受加工图像以便实时观察整个3D打印过程，计算机的输出端与所述的空间光调制器和三维平移台的控制端相连，所述的第一光栅和第二光栅相对且相互平行放置，所述的空间光调制器加载的矫正成型相差的掩模由所述的第一凸透镜、平面反射镜、第二凸透镜构成4f系统成像于所述的平场透镜的入瞳处。