其光学装置比硬币还小，可以在旅途中实现快速原型设计
亚当·泽韦 | 麻省理工学院新闻
出版日期:2024年6月6日
Graphic of hand holding a glowing chip-based 3D printer
标题:这款微型设备可以让用户在旅途中快速创建定制的低成本物品，比如用于修理摇晃的自行车车轮的紧固件，或者用于关键医疗手术的部件。
想象一下，有一台便携式3D打印机，你可以把它握在手掌上。这款微型设备可以让用户在旅途中快速创建定制的低成本物品，比如用于修理摇晃的自行车车轮的紧固件，或者用于关键医疗手术的部件。
来自麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员向实现这一想法迈出了重要一步，他们展示了第一台基于芯片的3D打印机。他们的概念验证装置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，当光线照射到树脂井时，树脂固化为固体形状。
原型芯片没有移动部件，而是依靠一组微小的光学天线来控制光束。光束投射到液体树脂中，该液体树脂被设计成在暴露于光束的可见光波长时迅速固化。
通过将硅光学和光化学相结合，这个跨学科研究团队能够演示一种芯片，它可以控制光束3D打印任意二维图案，包括字母M-I-T。形状可以在几秒钟内完全形成。
从长远来看，他们设想了一个系统，在该系统中，光子芯片位于树脂井的底部，并发出可见光的3D全息图，在一个步骤中快速固化整个物体。
这种类型的便携式3D打印机可以具有许多应用，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制作快速原型。
“这个系统完全重新思考了什么是3D打印机。它不再是一个坐在实验室工作台上创造物体的大盒子，而是一个手持和便携的东西。”电子研究实验室的成员、罗伯特·J·希尔曼电气工程和计算机科学(EECS)职业发展教授、资深作者Jelena Notaros说：“想到由此产生的新应用，以及3D打印领域将如何改变，真是令人兴奋。”
与Notaros一起撰写论文的还有Sabrina Corsetti，首席作者，EECS研究生；Milica Notaros博士，23岁；Tal Sneh，EECS研究生；Alex Safford，德克萨斯大学奥斯丁分校最近的毕业生；Zak Page，德克萨斯大学奥斯丁分校化学工程系的助理教授。这研究今日发布在……内自然光科学及其应用.
芯片打印
作为硅光学领域的专家，诺塔罗斯集团此前开发了集成光相控阵系统，该系统使用一系列微型天线控制光束，这些天线采用半导体制造工艺在芯片上制造。通过加速或延迟天线阵列两侧的光信号，他们可以将发射的光束移动到特定方向。
此类系统是激光雷达传感器的关键。激光雷达通过发射被附近物体反射的红外光束来绘制周围环境。最近，该集团专注于发射和控制增强现实应用中可见光的系统。
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。
大约在他们开始头脑风暴的同时，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。
Corsetti说：“对于光固化树脂，很难让它们在红外波长下一直固化，而在过去，集成的光学相控阵列系统就是在红外波长下为激光雷达工作的。”“在这里，我们在标准光化学和硅光学的中间相遇，通过使用可见光固化树脂和可见光发射芯片来创造这种基于芯片的3D打印机。这两种技术的融合形成了一个全新的想法。”
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。(一张纸大约10万纳米厚)整个芯片可以装在美国的四分之一英寸上。
当由片外激光器供电时，天线发射可控的可见光束进入光固化树脂的孔中。芯片位于透明玻片的下方，就像显微镜中使用的玻片一样，玻片上有一个容纳树脂的浅凹口。研究人员使用电信号以非机械方式控制光束，使得树脂在光束照射到它的任何地方固化。
协作方法
但是有效地调制可见光波长，包括修改其振幅和相位，是特别棘手的。一种常见的方法需要加热芯片，但是这是低效的并且占用大量的物理空间。
取而代之的是，研究人员使用液晶来制作集成到芯片上的紧凑型调制器。这种材料独特的光学特性使得调制器非常高效，长度仅为20微米。
芯片上的单个波导保持来自片外激光器的光。沿着波导的是微小的抽头，它们向每个天线发出一点光。
研究人员利用电场对调制器进行主动调谐，电场将液晶分子重新定向到某个方向。通过这种方式，他们可以精确地控制发送到天线的光的振幅和相位。
但形成和控制光束只是成功的一半。与新型光固化树脂的连接是一个完全不同的挑战。
德克萨斯大学奥斯汀分校的佩奇小组与麻省理工学院的诺塔罗斯小组密切合作，仔细调整了配方中的化学组合和浓度，使其保质期更长，固化速度更快。
最后，该小组使用他们的原型在几秒钟内3D打印出任意的二维形状。
在这个原型的基础上，他们想要开发一种类似于他们最初构想的系统--一种在树脂井中发射可见光全息图的芯片，只需一步就能实现立体3D打印。
“要做到这一点，我们需要一种全新的硅光子芯片设计。Jelena Notaros说：“我们已经在这篇论文中列出了很多最终系统的样子。现在，我们很高兴能继续朝着最终的演示方向努力。”
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