Сверхбыстрая лазерная 3D-литография, основанная на нелинейных взаимодействиях света и вещества, также известная как многофотонная литография (MPL), предлагает много интересного. В частности, становятся доступными высокая точность быстрого прототипирования и гибкие возможности аддитивного производства. Оборудование для 3D-печати на основе MPL коммерчески уже доступно. Однако до настоящего момента нет всестороннего понимания факторов, определяющих пространственное разрешение, точность, производительность, повторяемость и стандартизированные методы метрологии. Всё это требуется для точной характеристики производимых 3D-объектов и функций таких объектов.
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Исследования сверхбыстрой лазерной 3D-литографии
Сегодня активно исследуются механизмы фотовозбуждения, пространственный контроль (фото-модифицированные объёмы), а также разнообразие обрабатываемых материалов. Сложность области исследования подчеркивается ограниченным пониманием и фрагментарными знаниями относительно светового возбуждения и реакции материала.
На текущий момент исследованиями предоставлены только конкретные данные о фотовозбуждении, химической модификации и характеристике материалов экспериментальных данных.
Рассмотрим механизмы фотополимеризации в крайне ограниченных пространственных и временных условиях, где помимо возбуждения и сшивки учитываются параметры:
- диффузия,
- накопление температуры,
- конечное количество молекул мономера.
Именно эти параметры начинают приобретать решающее значение. Вместе с тем, рассмотрим и ключевые параметры:
- фотовозбуждение,
- кинетика полимеризации,
- свойства аддитивно изготовленных материалов в наномасштабе в 3D.
Скорее всего, интерес представляют и перспективы будущих исследований, а также новые применения технологии, что также будет рассмотрено.
Сверхбыстрая лазерная 3D-литография состояние и требования
Свет — эффективный источник энергии, пригодный для науки и промышленности. Обусловлено это тем, что свет вполне допустимо использовать для создания контролируемых взаимодействий в самых разных материалах. Соответственно, когерентное лазерное излучение также видится полезным.
Здесь доступна фокусировка до мелких размеров. Будучи монохроматическим, когерентное лазерное излучение позволяет индуцировать чётко определённые взаимодействия. Таковые необходимы, к примеру, для областей:
- спектроскопии,
- микроскопии,
- обработки материалов.
Современные сотовые телефоны обеспечивают передачу света на CMOS-пиксели размером в десятки микрометров. Стандартные объективы микроскопов способны фокусировать свет на длине волны в сотни нанометров, обеспечивая взаимодействие с разными объектами.
Кроме того, современные электронные устройства собираются на основе серийно выпускаемых чипов, наделённых характеристиками менее 10 нм, изготовленными с использованием источников глубокого УФ-излучения.
Современные лазеры с ультракороткими импульсами дают высокий уровень надёжности. Такие лазеры представляют уже обычный инструмент прецизионного трехмерного микро-/нано-изготовления. Буквально за фемтосекунды осуществляется передача больших импульсов энергии, что позволяет индуцировать и наблюдать за реакциями в этом временном диапазоне.
Пространственная и временная концентрация света
В настоящее время в современных оптических лабораториях обычно используется, как пространственная, так и временная концентрация света. Технология используется для различных модификаций материалов и конструкций, включая обработку материалов и быстрое прототипирование.
Сверхбыстрая лазерная 3D-литография, основанная на нелинейном взаимодействии света с веществом, известна как двухфотонная полимеризация (2PP, TPP, MPL — многофотонная литография). Как инструмент прямого лазерного письма (LDW — Laser Direct Writing) технология предлагает непревзойденную точность и гибкость в аддитивном производстве.
Оборудование для 3D-печати на основе многофотонной литографии уже коммерчески доступно. Правда, нет глубокого понимания факторов, определяющих:
пространственное разрешение,
- точность,
- производительность,
- воспроизведение,
- стандартизированные методы метрологии.
Всё это необходимо для точной характеристики производимых 3D-объектов и сопровождающих функций.
Механизмы фотовозбуждения, пространственный контроль или фотомодифицированные объёмы, а также разнообразие эффективно обрабатываемых материалов все ещё остаются предметом исследований. Сложность области исследований подчеркивается ограниченным текущим пониманием и сильно фрагментированными знаниями о возбуждении светом, реакции материала и результирующей трёхмерной структурной функции в пространственно-временном масштабе.
Фотовозбуждение – механизм взаимодействия световой материи
Фотополимеризация – реакция связывания мономеров и олигомеров, вызванная взаимодействием света с веществом (фактор фотовозбуждения). Операция фотовозбуждения происходит за счёт поглощения фотонов. В зависимости от количества поглощенных фотонов, приходящихся на один акт возбуждения, поглощение следует рассматривать:
- Однофотонным (однофотонное поглощение – 1PA),
- Многофотонным (2PP или многофотонное поглощение – MPA).
Двухфотонная полимеризация индуцируется одновременным поглощением двух фотонов (двухфотонное поглощение – 2PA).
Поглощение, приводящее к переносу электрона в зону проводимости, в дальнейшем протекает за счёт получения энергии от лазерного импульса с переводом электрона в возбуждённое состояние, что также приводит к разрыву химических связей.
Это определяет переход от реакции твёрдого состояния к ионизации, которая определяется свободными электронами или состоянием плазмы (переходом плазмы). Ионизация протекает посредством нелинейных процессов:
- многофотонная ионизация (MPI — Multi-Photon Ionization),
- лавинная ионизация (AI — Avalanche Ionization),
- туннельная ионизация (TI — Tunnel Ionization).
- Рассмотрим далее вышеупомянутые нелинейные процессы.
Нелинейные взаимодействия света и материи
Приставка «мульти» определяет поглощение более одного фотона. В зависимости от числа поглощенных фотонов, возбуждение электрона валентной зоны сопровождается переходом из основного состояния в состояния с более высокими энергетическими уровнями (MPA).
Не исключается даже ускорение до энергии ионизации в момент выхода из валентной оболочки (MPI). Более того, процессы MPA и MPI могут протекать одновременно как конкурирующие процессы, в том числе с возможным параллельным участием 1ПА.
Точно определить, какова роль каждого из вышеупомянутых явлений, нелегко. Поэтому предположительно только одно из состояний является доминирующим. Другие состояния могут быть незначительными, поскольку происходят в очень разных масштабах эффективности.
Если после возбуждения электрон перешел в синглетное состояние, предположительно имеет место поглощение. Таковое может проходить через виртуальное состояние, когда одновременно поглощаются два или более фотонов, в зависимости от энергетической щели между основным и возбужденным состояниями.
Однако чем выше порядок нелинейного процесса, тем выше требуется временная и пространственная плотность фотонов. Например, 2PA пропорциональна квадрату оптической силы. Обычно для индукции реакции фотополимеризации используют фотоинициаторы.
Фотоинициаторы представляют химические соединения, чувствительные к УФ/видимому свету, которые при поглощении света образуют реактивные компоненты (свободные радикалы или фотокислоты), способные начать реакцию полимеризации. Энергия компонентов диссоциации связи составляет порядка 3 эВ, в то время как мономеры требуют более высокой энергии для индукции расщепления, которая может составлять более 4 эВ.
Таким образом, необходимая интенсивность (I) для возбуждения молекулы (PI) ниже по сравнению с молекулой мономера или олигомера. Типичные значения, вызывающие фоторасщепление, составляют порядка ТВт/см2. Обычные PI, однако, часто страдают от малых поперечных сечений 2PA (𝜎) в ближнем ИК-диапазоне (𝜆). Здесь для индуцированной 2PA полимеризации обычно используются фемтосекундные лазеры.
Обычные значения составляют менее 10 единиц Гепперт-Майера (ГМ), где 1 ГМ = 10–50 см4с/молекулы/фотон. Это приводит к низкой возможности индуцировать образование радикалов из молекул PI. Однако, учитывая общие параметры 2PP (скорость сканирования v = 100 мкм/с, частота повторения R = 80 МГц), можно рассчитать, что потенциально может произойти 23 акта возбуждения на молекулу.
При помощи информации: DOI