Dreidimensionaler Laserdruck von Makroobjekten aus Glas mit einer Auflösung im Mikromaßstab

In “Three-dimensional laser printing of macro-scale glass objects at a micro-scale resolution” erläutern die Autoren, wie sie 3D-Objekte im Makromaßstab mit einer Auflösung im Mikromaßstab aus Glas erstellt haben – in der Hoffnung auf Erfolg, der bisher noch nie erreicht wurde zwei Jahrzehnte Forschung und Bemühungen im Bereich des Femtosekundenlaser-induzierten chemischen Ätzens (femtosecond laser induced chemical etching FLICE).

Die Forscher waren in der Lage, makroskopische Glasobjekte mit einer Höhe von bis zu 3,8 cm mit einer ausgeglichenen (d. H. Lateralen und longitudinalen) räumlichen Auflösung von ~20 μm zu drucken.

“Die bemerkenswerte Leistung wird erreicht, indem ein unerforschtes System in der Wechselwirkung von ultraschnellen Laserpulsen mit Quarzglas offenbart wird, was zu einer fehlerfreien Fokussierung der Laserpulse im Inneren von Quarzglas führt”, stellen die Forscher fest.

Um die Fertigungsauflösungen zu untersuchen, die durch lose Fokussierung der Pikosekunden-Laserimpulse in Quarzglas als Funktion der Brennpunktposition entlang der Ausbreitungsrichtung geboten werden, indem sie mehrere Linien in zwei verschiedenen Gittern für die X- und Y-Richtung organisierten.

Das Forschungsteam stellte fest, dass der Querschnitt aller eingeschriebenen Linien eine ähnliche Geometrie mit nahezu kreisförmiger Form aufweist, die unempfindlich gegen die Scangeschwindigkeit, die Tiefe der Fokusposition sowie die Richtung des Laserschreibens ist. Der Unterschied besteht darin, dass mit zunehmender Abtastgeschwindigkeit die Farbe in dem unter dem Mikroskop in einem reflektierenden Modus aufgenommenen Querschnitt heller wird, was darauf hinweist, dass eine schwächere Modifikation von Quarzglas mit der Abnahme der Bestrahlungsdosis bei zunehmender Abtastgeschwindigkeit erzeugt wird.

“Es beweist, dass die gesamte Skulptur von oben nach unten mit einer anständigen Fertigungsauflösung gedruckt wird”, sagten die Autoren.

„Eine weitere Verbesserung der Druckeffizienz wird in naher Zukunft durch die Kombination eines 2D-Galvo-Scanners mit der 2D-Bewegungsstufe erreicht. Dieses Design ermöglicht sowohl eine hohe Druckgeschwindigkeit als auch einen großen Druckbereich. Das neuartige 3D-Glasdruckverfahren basiert auf zwei unkonventionellen Eigenschaften in der Wechselwirkung von locker fokussierten Pikosekunden-Laserpulsen mit Quarzglas, nämlich der tiefenunabhängigen aberrationsfreien Fokussierung und der Eliminierung des selbstorganisierten Nanogratings“, fügten die Forscher hinzu.
„Die physikalischen Mechanismen hinter diesen interessanten Effekten sind noch nicht geklärt. Wir betonen, dass die Wechselwirkung von ultraschnellen Laserpulsen mit transparenten Medien unter den Bedingungen der lockeren Fokussierung ein weitgehend unerforschtes Forschungsgebiet ist, das für weitere Untersuchungen erhebliches Interesse wecken sollte. Es wird erwartet, dass der hochauflösende 3D-Druck von Objekten im Makromaßstab in Glas Auswirkungen auf die Bereiche Photonik, Mikrofluidik und Präzisionsmechanik haben wird.“