德国Nanoscribe公司的Photonic Professional GT是目前世界公认的打印精度最高的3D打印机。跟传统的以激光立体光刻为代表的高精3D打印机相比，利用双光子微光刻原理的Photonic Professional GT能够轻松打印出精细结构分辨率高出100倍的三维微纳器件，能够打印精度甚至比头发丝直径的百分之还要细。

一种非线性的光学效应是Nanoscribe技术的核心，即对于特定波长的激光，只有在光场的能量密度达到或者超过一定阈值时材料才会发生变化。蔡司精密的光学系统将飞秒激光器产生的激光精准的聚焦于极小的焦点上，聚焦的质量也就决定了3D打印机能够达到的最小打印精度。

Nanoscrible公司已经开发出桌面操作系统，这种系统可以直接写出复杂的三维结构。Nature Photonics记者Nadya Anscombe阐述了公司的建立过程以及公司的将来发展计划。

Nanoscribe公司专门提供三维刻写系统。基于双光子聚合原理，这些桌面操作系统可以制作其它刻写技术不能实现的复杂的三维结构。2001年，德国Karlsruhe技术研究所的研究人员根据双光子聚合原理首先开发出的世界上台用于制作三维纳米结构的激光直写系统。但是直到2006年才把这一技术商业化。

接口探测器是这些产品的一个主要卖点。接口探测技术需要激光聚焦系统能够探测出物理性能相似的两种材料的界面。例如，如果基体和光刻胶之间的物理性能相似，那么其界面必须保证能够探测才能确保写入光刻胶的任务能够存留于基体上。如果基体上没有存留刻写任务，那么在随后的显影液中，它会随着残余的光刻胶一起去除掉。

目前，Nanoscribe公司不再寻找远期投资了，因为通过出售他们的系统得到的资金已经能够满足下一步的需要。在光子结构制造领域内，他们的产品主要用于光子晶体、中间材料、分布反馈式光栅、光子环形谐振腔以及衍射光学器件等。目前，公司的这项技术正被用来一步刻写世界上个三维中间材料——螺旋型金纳米结构，这种结构主要用来制作大面积盘装偏振器。

三维中间材料在之前曾被开发出来，但是只是逐层使用模式。复杂的三维结构采用逐层模式不能实现。采用Nanoscribe公司的技术，科研工作者只需一步刻写就能够制造出三维结构来，这种结构可以做为电铸金的模版。原来的模版可以通过离子束刻蚀去除掉。从原理上讲，这种方法可以沉积多种材料。例如，通过化学气相沉积，硅可以很容易的得到沉积，从而得到具有复杂光子能带隙的光子晶体。

激光直写技术可以在合适的光刻胶上制作任意形状的三维纳米结构。其原理是多光子聚合作用，一种非线性光学效应。在纳米结构制作过程中，光刻胶只与激光光波的中间部分发生作用，这就相当于光刻胶对于激光来说是透明的，因为单光子的能量处于材料的吸收限以下。通过严格聚焦会得到高强度的超短脉冲激光。当激光与光刻胶发生相互作用时，会产生强烈的多光子吸收效应，使激光强度足够对光刻胶进行曝光。这种多光子吸收效应会使部分光刻胶发生化学或者物理变化，其变化程度可以通过调节激光功率进行控制。这种变化多呈椭圆形，是制作三维纳米结构的基本结构单元。样品的移动和激光强度控制均由计算机系统同步调节。对于光刻胶来说，不论是经过曝光的(正性光刻胶)部分还是未经曝光的(负性光刻胶)部分都会在后期的显影液中去除。

Nanoscribe公司的操作系统可以为试验工作者验证其理论蓝图，这又会激发理论学家们采用这一仪器考虑新的结构并设计新的试验以开发更多的三维纳米结构。

光子器件应用是Nanoscribe公司的应用领域，其在生命科学中的应用，尤其是三维细胞技术也开始出现，并且越来越显示出其巨大的应用前景。公司已经把仪器出售给生物学家，这些生物学家设计了许多不同的三维结构以进行细胞的各种测试工作。与传统的二维试验相比，三维结构的细胞测试可以让生物学家们了解细胞在人体内部是如何工作的。例如，有人采用Nanoscribe的系统制备了柱状结构支撑的蛛网状纳米结构，如图1所示。其柱状结构是刚性组织，细小的连接线结构可以发生变形，并且变形程度可测。当干细胞脱落到这种结构中时，会横跨在蛛网结构上，从而引起蛛网结构的变形。生物学家就是利用这种变形来研究细胞是如何施加作用力的。例如，如果它们发现它们处于刚性的环境中，它们就会转化成骨细胞。受次启发，生物学家们可以通过控制干细胞所处的环境来达到分化细胞的目的。

在另一个生物学领域应用的例子中，一种类似于篮球状的结构用于储存单个细胞，这被用来研究细胞在相距多大距离的时候会发生相互作用。尽管这些结构非常复杂，但是生物学家们利用这一仪器只用三十分钟就成功制作它们，因为这些结构非常小，生物学家们可以在同一基体上试验各种参数。这样通过组合研究摸索，可以很快找到***合适的制作参数。

Nanoscribe公司的系统很容易操作，即使只有很少甚至毫无物理学背景的用户都可以操作。样品托可以同时容纳十个含有不同光刻胶和不同结构的基体，系统会自动加以编辑。

但是并不是所有的客户都可以设计自己的结构。为了解决这个问题，Nanoscribe公司同时为客户提供设计服务，他们在这个领域具有多年的经验和技术。尽管很多客户大都选用标准的光刻胶，但是也有一些场合需要特殊的材料。因此，Nanoscribe公司注册并开发了具有自主知识产权的光刻胶，尤其是以双光子聚合效应为主的应用领域。公司在浇铸技术方面也有一定的经验技术，可以为用户提供相关咨询服务。

在计划创办这项服务六个月之前，Nanoscribe公司收到了他们的个关于刻写系统的要求。这个早期的要求震惊了整个团队，这个团队刚刚完成了模型设计，并且得到了一系列必要的合格证明。

德国Nanoscribe 微纳3D打印介绍 2

— 双光子聚合激光3D直写

由于树脂材料的黏度、表面张力等因素的影响，小涂层厚等因素的限制；以及微立体光刻固化是基于单光子吸收聚合固化的本质特性，微立体光刻目前能达到的分辨率是在微尺度范围，如果进一步提高微立体光刻的分辨率，实现亚微尺度和纳尺度结构制造将面临巨大的挑战。

基于双光子聚合激光3D直写提供了一种有效的解决方案，而且是目前实现纳尺度3D打印最有效的一种技术。

不同于传统的微立体光刻(是一种单光子微立体光刻工艺)，基于双光子聚合激光直写 3D 打印是基于双光子聚合原理(或者多光子吸收，multiphoton- absorption)。

双光子聚合是物质在发生双光子吸收后所引发的一种光聚合过程，双光子吸收是指物质的 一个分子同时吸收两个光子，双光子吸收的发生主要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处，光路上其它地方的激光强度不足以产生双光子吸收，并且由于所用光波长较长，能量较低，相应的单光子吸收过程不能发生。

单光子激发聚合固化和双光子激发聚合固化二者的区别如图1所示。

因此，双光子过程具有良好的空间选择性。双光子聚合激光直写3D打印就是利用了双光子吸收过程对材料穿透性好、空间选择性高的特点，其基本原理如图2所示。

图 1 单光子激发聚合和双光子激发聚合

Maruo 等人在1997年提出基于双光子聚合的微纳制造技术，与现有的其他工艺相比，双光子聚合能够制造更高分辨率的三维微纳结构。根据阿贝衍射极限，聚焦激光的分辨率被限定在所使用的光的波长和聚焦物镜的数值孔径(NA)，基于单光子聚合的微立体光刻难以达到亚微米分辨率。

其它高分辨微纳制造技术如电子束光刻受限于表面效应，不像双光子聚合，它是一种按量技术(in-volume)。双光子吸收是一种非线性现象，如果辐照足够高并且在基态和激发态之间的跃迁能与两个光子的结合能相匹配，任何材料都能发生双光子吸收。双光子吸收率与入射光的强度的平法成正比。

这个二元效应限制这种现象在焦点处发生，这又转而限制了光聚合在亚微尺度的体积内。双光子聚合工艺已经实现 Sub-50 nm复杂三维微纳结构的制造。

德国 NanoScribe公司、维也纳科技大学等研究相继开发了基于双光子聚合激光直写微纳尺度 3D 打印设备和装置，基于双光子聚合激光直写3D打印目前已经显示出巨大的潜能和工业化应用前景。

图 2 基于双光子聚合的激光直写系统原理示意图

2001年Kawata等人利用超短脉冲激光(波长为 780 nm 的近红外飞秒脉冲激光)诱导光刻胶发生双光子聚合反应制造出长10和高7 μm的纳米牛，其分辨率达到 120 nm，突破了传统光学理论的衍射极限，实现了利用双光子加工技术制造亚微米精度的三维结构。

在双光子聚合工艺中，两种扫描方法(表面轮廓和栅格扫描)都不需要树脂分层，对于表面轮廓扫描方式，激光束光斑扫描在树脂三维内部，飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，作用时间极短，热效应小。

近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点，它可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工。因此，与传统分层微立体光刻相比，双光子聚合具有更高的分辨率。

2013年2月德国 NanoScribe 公司发布了目前世界上具有快打印速度的微纳尺度 3D 打印机，Photonic Professional GT(如图3(a)所示)，

图3(b)是其设备照片，它是一种激光直写技术或三维激光光刻工艺(direct laser writing/three-dimensional laser lithography)，利用超短激光脉冲曝光预定义的3D微纳结构在光敏材料上制作出具有自我支撑的微纳米结构，实现无需掩模或者模具直接制造复杂三维微纳结构。

图3(c)是制造的一些典型微纳结构。Photonic Professional GT 可以以每秒超过5太位(terabits)的速度来打印聚合物波导，其三维侧向特征尺寸<200 nm，典型的是150 nm ，图形化面积达到 100 mm×100 mm。

已经被用于光子学、微光子学、微流道、生命科学、微纳科技等许多领域，尤其在生物医学和纳米科技等领域已经显示出巨大潜能和广阔的工程应用前景。美国北卡罗莱纳州立大学、北卡罗来纳大学教堂山分校和德国汉诺威激光中心等利用该技术打印具有生物可兼容性的组织支架。

图 3 德国 NanoScribe 3D 打印原理、设备和打印结构

(a) 原理示意图; (b) Photonic Professional GT 3D 打印设备; (c) 打 印的复杂三维微纳结

近年，大量的研究聚焦在进一步提高效率、分辨率以及降低成本，这对于基于双光子聚合激光直写3D打印的实际商业化应用非常重要。

微纳造物技术:

双光子3D打印

a.光路设计图 b.成像效果仿真模拟图 c.单透镜、双透镜和三透镜组剖面电子显微镜图 d.实验得到的成像效果图

（Two-photon direct laser writing of ultracompact multi-lens objectives）

除了科研领域，该项技术越来越多的被利用在艺术领域。

图7 模特三维建模过程（TRUST）

2014年，艺术家Jonty Hurwitz与Weitzmann Institute of Science的科学家合作，利用双光子直写技术制成了世界上最小的雕塑。他们首先通过三维扫描技术记录模特的三维空间信息，然后将此信息转化为空间坐标，导入到软件当中。然后他们利用双光子直写技术，在一根针上制作了该人体模特的雕塑，不出意外的话，这应该是世界上最小的人体雕塑：TRUST。

图8 双光子激光直写技术制作的世界上最小的人体雕塑（TRUST）

其实利用双光子直写技术加工的微纳雕塑作品很多，例如图9就是利用该技术制作的泰姬陵模型。

图9 利用双光子直写技术制作的泰姬陵模型（TAJ）

当然了，虽然双光子激光直写技术在微纳尺度加工领域具有极大的优势，但并非全无缺点：用于双光子激光直写技术的光敏物质种类很有限；与胶片拍摄图像类似，而且这种光敏物质往往也需要显影和定影等过程，将打印的3D物体固定下来，因此加工过程更为繁琐；微纳尺度的加工耗时许久，因此难以利用它加工大尺度的产品。

图10 典型的双光子直写仪基本配置（Nanoscribe）

而且从上文叙述中也可以看出，这项技术能够成功的关键很大程度上是纳米精度的移动台，因此运动模块极其精密且昂贵，更需要相应的检测和控制系统。图10是一台典型双光子直写仪的基本配置，从软件到硬件需要完美配合，所以往往造价不菲

Nanoscribe 3D打印机走进世界名牌大学实验室

　　众所周知，3D打印机的出货量85%是个人/桌面3D打印机，但是它们不适合全球领先的研究性大学实验室，这些实验室所需的是专业的、高端的、适合科学应用的3D打印设备。

　　Nanoscribe GmbH是纳米微型3D打印技术的领导者，由此在全球顶尖大学实验室占有一席之地。世界排名前十的名牌大学其中有我所学校在使用Nanoscribe的3D打印机，包括哈佛大学、加州理工大学、牛津大学、伦敦帝国理工和苏黎世联邦理工，而且他们都拥有两个Nanoscribe 3D打印系统。

　　图为哈佛大学一个研究小组使用Nanoscribe光子专业GT系统

　　Nanoscribe以能够3D打印从150纳米(十亿分之一米)到1毫米的对象而闻名，他们的3D打印微技术是基于“激光直写技术”，利用三维微观在光敏材料的纳米级3D打印技术。

　　该公司的微型3D打印技术打开了许多专业3D打印应用的大门，包括医疗、微观光学和光子学、信息和通信技术、微观力学和微机电系统(MEMS)。为了展示其打印机的能力，Nanoscribe甚至3D打印了一座微型中国长城，这座长城就是前段时间习大大长城的复制品。

　　Nanoscribe CEO Martin Hermatschweiler讲到：“我们的GT 3D打印系统是现在市场上打印微细结构最快的系统，而且精度相当于其他系统的100倍。”

　　自2007年成立以来，Nanoscribe公司目前在全球25个著名研究机构有100多Nanoscribe 3 d打印系统用户，其中就包括上文提到的这五所重量级大学。