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Nature Reviews Physics
- by wittx 2024-01-08
3D打印的主要目标是，基于体素voxels小体积元素，局部增加生成材料（即增材制造），以实现复杂三维3D结构，这完全不同于传统的光刻、铣削或机械加工的连续减材制造。始于20世纪70年代的增材制造研究，主要基于光学基础研究的发展，也得益于物理、化学、材料科学、激光科学和工程学的多领域共同突破。 德国 卡尔斯鲁厄理工学院 (Karlsruhe Institute of Technology）Paul Somers，Martin Wegener等，在Nature Reviews Physics上发表综述文章，论述了基于光学方法的物理基础，包括干涉光刻、层析体积增材制造、立体光刻、连续液体界面印刷、光片印刷、并行时空聚焦和（多）焦点扫描。 还讨论了光-物质相互作用，包括用于激发的单光子、双光子、多光子或级联的非线性光学吸收过程，以及受激发射损耗或激发态吸收，随后是用于去激发de-excitation的反向系间窜越intersystem crossing。 未来的物理挑战在于：进一步提高三个指标：空间分辨率、体素生成率和不同材料属性的可用范围。工程挑战是在紧凑、低成本和低能耗的仪器中，实现这些性能指标以及开发新的应用。 
3D打印的光物理学。 
图1: 3D打印用：时空光图案的分波Partial wave表示。
图2: 基于各种光成形过程，光图案的等强度表面。
图3: 3D打印用：光与物质相互作用的能级图。
图4: 光基打印工艺的三维打印结构。
图5: 各种光基工艺的三维打印速度。
关键点
1、基于光的三维打印是一种增材制造工艺，其中激光照射局部，以增加固体材料（通常来自液体“墨水”），而不是通过机械加工或钻孔而从固体中减去材料，用以形成从宏观尺度到纳米尺度的复杂三维结构。
2、所有当前基于光的3D打印模态（包括干涉光刻、空间聚焦、时空聚焦、断层摄影体积增材制造和逐层方法）。可视之为理想曝光方案的近似，其中在单次发射中，定制3D光图案曝光墨水。
3、在3D打印过程中，发出的激光，通过电偶极子介导的光-物质相互作用，以耦合到专用触发（光引发剂）分子；有时普通单光子吸收就足够了，但通常需要诸如多光子吸收或双色两步吸收之类的其他过程，以充分定位3D空间中的激发过程。
4、在光触发之后从墨水形成材料是高度依赖于材料的，聚合物、金属和半导体的形成过程，涉及完全不同的化学和物理过程。
5、提高3D打印技术的速度和分辨率，但形成某个体素时，不可避免地需要传递一定的光能。因此，增加每单位时间打印的体素数量，需要增加光功率。
6、3D打印的挑战依然存在：实现更精细的特征尺寸，提高打印速度，为更多不同材料打开大门，并使3D激光打印机更紧凑、更便宜。
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