作者：亚当·泽威 , 麻省理工学院
想象一下您可以握在手掌上的便携式 3D 打印机。这种微型设备可以让用户在旅途中快速创建定制的低成本物体，例如用于修复不稳定自行车车轮的紧固件或用于关键医疗手术的组件。
麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员通过展示第一台基于芯片的 3D 打印机，向实现这一想法迈出了重要一步。他们的概念验证设备由单个毫米级光子芯片组成，该芯片将可重新配置的光束发射到树脂井中，当光照射到树脂井时，树脂会固化成固体形状。
该原型芯片没有移动部件，而是依靠微型光学天线阵列来控制光束。光束投射到液体树脂中，该树脂被设计为在暴露于光束的可见光波长时快速固化。
通过将硅光子学和光化学相结合，跨学科研究团队能够演示一种可以引导光束以 3D 打印任意二维图案（包括字母 M-I-T）的芯片。形状可以在几秒钟内完全形成。
从长远来看，他们设想了一种系统，其中光子芯片位于树脂井的底部，并发出可见光的 3D 全息图，一步即可快速固化整个物体。
这种类型的便携式 3D 打印机可以有许多应用，例如使临床医生能够创建定制的医疗设备组件或允许工程师在工作现场快速制作原型。
“这个系统完全重新思考了 3D 打印机是什么。它不再是一个坐在实验室长凳上创建物体的大盒子，而是手持式和便携式的东西。想到可能出现的新应用程序是令人兴奋的电气工程和计算机科学 (EECS) 罗伯特·J·希尔曼 (Robert J. Shillman) 职业发展教授、电子研究实验室成员、资深作者 Jelena Notaros 说道。
与 Notaros 一起参与该论文的还有主要作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti；米莉卡·诺塔罗斯博士“23； Tal Sneh，EECS 研究生； Alex Safford，德克萨斯大学奥斯汀分校的应届毕业生；扎克·佩奇 (Zak Page) 是德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系的助理教授。该研究今天（6 月 6 日）发表于 光：科学与应用 .
用芯片打印
作为硅光子学专家，Notaros 团队此前开发了集成光学相控阵系统，该系统使用一系列采用半导体制造工艺在芯片上制造的微型天线来控制光束。通过加速或延迟天线阵列两侧的光信号，它们可以沿特定方向移动发射的光束。
此类系统是激光雷达传感器的关键，激光雷达传感器通过发射从附近物体反射回来的红外光束来绘制周围环境的地图。最近，该小组专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统。
他们想知道这样的设备是否可以用于基于芯片的 3D 打印机。
大约在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的佩奇小组首次展示了可以使用可见光波长快速固化的专用树脂。这是将基于芯片的 3D 打印机推向现实的缺失部分。
“对于光固化树脂，很难让它们在红外波长处完全固化，而这正是激光雷达集成光学相控阵系统过去使用的地方，”Corsetti 说。 “在这里，我们在标准光化学和硅光子学之间相遇，通过使用可见光固化树脂和可见光发射芯片来创建这种基于芯片的 3D 打印机。你可以将两种技术融合成一种全新的技术。主意。”
他们的原型由单个光子芯片组成，其中包含 160 纳米厚的光学天线阵列。 （一张纸的厚度约为 100,000 纳米。）整个芯片适合 25 美分硬币。
当由片外激光器供电时，天线将可操纵的可见光束发射到光固化树脂的孔中。芯片位于透明载玻片下方，就像显微镜中使用的载玻片一样，载玻片包含一个容纳树脂的浅凹痕。研究人员使用电信号以非机械方式引导光束，使树脂在光束照射到的地方凝固。
更多信息： Sabrina Corsetti 等人，基于硅光子学的芯片 3D 打印机， 光：科学与应用 （2024）。 DOI：10.1038/s41377-024-01478-2
期刊信息： 光：科学与应用
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