近日，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推出了首台基于芯片的 3D 打印机，设备大小相当于毫米级光子芯片，使用可重构光束将树脂固化成固体形状。这种小型便携式打印设备可以轻松握在手掌中，能够让用户随时随地快速制造出个性化的实用物品，例如用于修复摇晃的自行车车轮的紧固件或用于重要医疗手术的部件。
相关研究以题为“Paper: “Silicon-photonics-enabledchip-based 3D printer/基于硅光子学的芯片式3D打印机””的论文被发表在《light: science & applications》期刊上。论文由Jelena Notaros主要完成，他是电气工程和计算机科学 (EECS) 的 Robert J. Shillman 职业发展教授，也是电子研究实验室的成员。与Notaros 一起参与该论文的还有论文的第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 届）、EECS 研究生 TalSneh、德克萨斯大学奥斯汀分校应届毕业生 Alex Safford 以及德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系助理教授 Zak Page联合撰写。
本研究中的概念验证设备由一个毫米级光子芯片组成，该芯片将可重构光束发射到树脂孔中，当光线照射到树脂孔中时，树脂孔会固化成固体形状。
△基于芯片的 3D 打印机概念
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。光束向上投射到液态树脂中，这种树脂在暴露于光束波长的可见光下时会迅速固化。
通过结合硅光子学和光化学，这个跨学科研究团队成功研发出一种芯片，可以引导光束 3D 打印任意二维图案，包括字母 MIT。只需几秒钟，形状就可以完全成型。
从长远来看，他们设想的系统是将光子芯片放置在树脂井的底部，并发射可见光的 3D 全息图，只需一步即可快速固化整个物体。
这种便携式 3D 打印机有很多应用，例如允许临床医生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。
论文作者 Jelena Notaros 说道：“该系统完全重新定义了 3D 打印机。它不再是一个放在实验室工作台上用来制造物品的大盒子，而是一个可以手持和携带的东西。想想由此可能产生的新应用以及 3D 打印领域将如何改变，真是令人兴奋。”
使用芯片进行打印
Notaros 团队是硅光子学专家，他们之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，他们可以将发射光束移向某个方向。
△3D打印机集成光学相控阵架构
△基于芯片的 3D 打印机设置、辐射模式和体素特征。
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红外光束，这些光束从附近的物体上反射回来，从而绘制周围环境的地图。最近，该团队专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统。
他们想知道这种设备是否可以用于基于芯片的 3D 打印机。就在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可见光波长快速固化的专用树脂，这是推动基于芯片的3D 打印机转化为现实产品所急缺的部分。
Corsetti 说道：“光固化树脂很难在红外波长下完全固化，而过去集成光学相控阵系统在激光雷达中就是在红外波长下工作的。在这里，我们通过使用可见光固化树脂和可见光发射芯片，在标准光化学和硅光子学之间找到平衡，打造出这款基于芯片的 3D 打印机。这是将两种技术融合成一个全新想法。”
他们的设备原型由一个光子芯片组成，芯片上包含一组厚度为 160 纳米的光学天线。（一张纸的厚度约为 100,000 纳米。）整个芯片可装在一枚 25 美分硬币上。
当由芯片外激光器供电时，天线会将一束可操纵的可见光发射到光固化树脂槽中。芯片位于透明载玻片下方，类似于显微镜中使用的载玻片，载玻片上有一个浅凹口，用于容纳树脂。研究人员使用电信号非机械地操纵光束，使树脂在光束照射到的地方固化。
协作方式
通常来讲，有效调制可见光波长的光（包括改变其振幅和相位）尤其困难。一种常用方法需要加热芯片，但这种方法效率低下，而且占用大量物理空间。
相反，研究人员使用液晶制作集成到芯片上的紧凑型调制器。该材料独特的光学特性使调制器非常高效，长度仅为 20 微米左右。芯片上的单个波导可容纳来自片外激光器的光。波导上布满了微小的分接头，它们将少量光分接至每个天线。
研究人员利用电场主动调节调制器，将液晶分子重新定向到特定方向。这样，他们就能精确控制传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。与新型光固化树脂连接则是一个完全不同的挑战。
德克萨斯大学奥斯汀分校的 Page 团队与麻省理工学院的 Notaros 团队密切合作，精心调整化学组合和浓度，最终找到一种能够延长保质期并快速固化的配方。最终，该团队利用他们的原型在几秒钟内 3D 打印出任意二维形状。
△基于芯片的3D打印机非机械光束控制、线打印和任意2D图案打印。
基于这个原型，他们希望开发一个像他们最初概念化的系统——一个在树脂井中发射可见光全息图的芯片，只需一个步骤即可实现体积 3D 打印。
Jelena Notaros 说道：“为了实现这一点，我们需要一个全新的硅光子芯片设计。我们已经在这篇论文中详细阐述了最终系统将是什么样子。现在，我们很高兴能继续努力实现这一最终演示。”
这项工作部分由美国国家科学基金会、美国国防高级研究计划局、罗伯特·A·韦尔奇基金会、麻省理工学院罗尔夫·G·洛赫捐赠奖学金以及麻省理工学院弗雷德里克和芭芭拉·克罗宁奖学金资助。
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