2段階吸収原理に基づいた靴箱サイズの3Dレーザーナノプリンターが開発されました！

この投稿は Coco Bear によって 2024-7-31 21:23 に最後に編集されました。

2024年7月9日、ドイツのカールスルーエ工科大学（KIT）応用物理学研究所（APH）の研究チームは、靴箱に収まるほど小さく、優れた印刷性能を持つ画期的な3Dレーザーナノプリンターを開発しました。この研究は、「2段階吸収に基づく靴箱サイズの3Dレーザーナノプリンター」というタイトルで、Light: Advanced Manufacturing誌に掲載されました。この研究では、コストが低く、出力が 1mW 未満の連続波長 405nm GaN 半導体レーザーダイオードを使用する、2 段階吸収原理に基づく革新的な 3D 印刷方法が明らかになりました。

2 段階吸収原理2 段階吸収原理は、従来の 2 光子または多光子吸収プロセスとは異なる、3D レーザーナノプリンティングの新しい原理です。従来の 3D レーザーマイクロプリンティングおよびナノプリンティングでは、通常、感光性材料内で 2 光子または多光子の吸収を誘発できる高出力ピコ秒またはフェムト秒レーザーに依存しており、これにより微小スケールでの精密なリソグラフィーが可能になります。しかし、このアプローチでは機器が大型で高価になることが多く、小規模な研究チームや教育機関ではあまり普及していません。

△小型3Dレーザーナノプリンター向け光学デバイスソリューション

2 段階吸収原理では、2 つの光子を同時に吸収するのではなく、2 つの単一光子を連続して吸収することによって材料を励起します。このプロセスは、光子が物質に吸収され、その後、特定の条件下で別の光子が吸収され、化学反応が引き起こされるものとして理解できます。 2 光子吸収と比較して、2 段階吸収メカニズムはより低いレーザー強度で動作できるため、出力が 1mW 未満の 405nm 波長 GaN レーザーダイオードなどの低電力の連続波長半導体レーザーダイオードを使用できます。現在、405nm連続波長半導体レーザーダイオードに基づく単色2段階吸収機構は、他の2段階吸収機構よりも性能が優れており、100nmの横方向空間解像度と最大4mm/sの印刷速度を達成でき、3Dレーザーナノプリンティングの分野で大きな可能性を示しています。

この 3D 印刷方法の利点は、高価なフェムト秒パルスレーザーを使用する必要がないため、必要なレーザーシステムの複雑さとコストが大幅に削減されることです。さらに、2段階吸収メカニズムはレーザー出力要件が低いため、3Dレーザーナノプリンティングシステム全体の容積を大幅に削減でき、靴箱サイズのスペースに収納することもできます。これにより、3Dレーザーナノプリンティング技術の人気と携帯性に革命的な変化がもたらされました。

研究者らは、2段階吸収原理に基づく、完全に統合された高解像度の3Dレーザーナノプリンティングシステムの開発に成功しました。印刷システムは小型で低コストであるため、ナノスケール構造を迅速に製造する新たな道が開かれ、小規模な研究室や教育機関にも高度な製造技術へのアクセスが提供されます。

プリンターの機能

コンパクトな光学セットアップ

●光源：低コストのGaN半導体レーザーダイオードを使用し、405nmの波長で動作し、出力は1mW未満で、シェルの直径はわずか3.8mmとコンパクトです。
●ビームの精製とコリメーション：レーザーダイオードから放射された発散楕円ビームは、直径 5μm のピンホールを通して精製され、次に 2 番目のレンズによってコリメートされます。
●MEMSスキャナ：2次元MEMSスキャナを使用してレーザービームを誘導し、xy平面内の任意の軌道をスキャンします。直径わずか1.6mmのMEMSミラーと互換性があります。
●スキャンとチューブレンズ：MEMSスキャナとチューブレンズを組み合わせて使用し、対物レンズの入射瞳面にMEMSを反射させてビーム径を拡大します。
●高NA顕微鏡対物レンズ：圧電スライドZ軸に取り付けられた高開口数（NA=1.4、100倍の倍率）の顕微鏡対物レンズを使用して、液体感光性樹脂にレーザービームを集束させます。
● 監視システム: 小型カメラで印刷プロセスを監視できる一方、顕微鏡対物レンズは透過照明からの光を集め、サンプルと感光性樹脂の界面の位置を特定し、焦点を調整するのに役立ちます。

△光学デバイスおよび主要部品

コンパクトなコントロールユニット

△3Dレーザーナノプリンターの制御装置の写真

コアマイクロコントローラ: プリンターは、自作の PCB に搭載された強力な Teensy 4.1 マイクロコントローラを制御ユニットのコアとして使用し、ラボのコンピューターとレーザー印刷システムとのインターフェイスとして使用します。
●データ転送と保存：印刷タスクファイルは、MEMSスキャナのデジタル値に直接変換され、オンボードメモリにバッファリングされます。●自律印刷操作：実行コマンドの送信後、ロードされたジョブは自律的に印刷を開始し、マイクロコントローラは情報をコンピュータにフィードバックします。マイクロコントローラは、MEMSスキャナの位置とレーザーダイオードの駆動電圧も出力します。
●パラメータ調整と制御: ジョブファイルの印刷に加えて、追加のコマンドをマイクロコントローラに送信して、プリセットパラメータを変更できます。

パフォーマンステストと解決

△ 印刷された3D構造の走査型電子顕微鏡写真

●テスト構造: 研究者らは、らせんやピラミッドなどの特殊な要件を備えた 3D 構造を印刷し、プリンターの性能を評価しました。
● 解像度と速度：横方向の空間解像度約100nm、焦点走査速度約1mm/sを実現し、優れた印刷能力と精度を発揮します。

概要<br /> この靴箱サイズの 3D レーザーナノプリンターは、マイクロナノファブリケーション技術の大きな進歩を表しており、コストを大幅に削減し、携帯性を向上させ、特に高精度で迅速なプロトタイピングを必要とする研究室や産業用途に新たな可能性をもたらします。技術のさらなる発展により、このタイプのプリンターはマイクロナノ製造の標準ツールとなり、科学研究成果の変換と商業化を加速することが期待されます。

オリジナルリンク: https://www.light-am.com/en/article/doi/10.37188/lam.2024.027

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