Исследователи из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине сделали важный шаг к воплощению сенсационной идеи: они продемонстрировали первый 3D-принтер на основе видимого света. Концепт устройства состоит из одного фотонного чипа миллиметрового масштаба, который направляет контролируемые лучи света в лунку из смолы, которая при этом твердеет, приобретая окончательную форму.
В прототипе чипа нет движущихся частей. Вместо этого в нём работает массив крошечных оптических антенн для направления луча. Тот проецируется на жидкую смолу, которую разработали для быстрого отверждения под воздействием именно видимого света. Отметим, что оптические антенны вообще — это устройства или приспособления, которые позволяют влиять на процессы поглощения и излучения света.
Фотоника — дисциплина, сосредоточенная на аспектах работы с оптическими сигналами, а также позволяющая создавать на их основе устройства различного назначения. Объединив кремниевую фотонику и фотохимию, междисциплинарная исследовательская группа изготовила чип, который может направлять световые лучи для трёхмерной печати произвольных двумерных рисунков. В числе опытных изделий были, например, буквы MIT, то есть аббревиатура Массачусетского «технолога». Что важно, фигуры могут быть полностью сформированы за считанные секунды.
Описываемый тип портативного 3D-принтера может иметь множество применений. Например, он позволил бы врачам создавать индивидуальные компоненты медицинского назначения или инженерам — реализовывать детали чего-то нового прямо на рабочем столе.
Старший автор исследования Елена Нотарос из MIT подчеркнула, что новая система трёхмерной печати полностью переосмысливает, что такое 3D-принтер. Это больше не габаритный короб в лаборатории для создания объектов, а нечто портативное.
Группа Елены Нотарос специализируется на кремниевой фотонике. Ранее они с коллегами разработали системы с фазированными оптическими решётками. Решётки направляли лучи света с помощью серии микроскопических антенн на чипе, изготовленных благодаря технологиям производства полупроводников. Ускоряя или задерживая оптический сигнал по обе стороны антенной решётки, учёные смогли перемещать луч света в определённом направлении.
Описанные системы — основа тех же лидарных датчиков (лазерных радаров) для роботов и беспилотных автомобилей. Лидары, напомним, позволяют воспринимать окружающую среду, испуская, например, инфракрасное (ИК) излучение, которое отражается от близлежащих объектов.
Сравнительно недавно группа исследователей сосредоточилась на системах, излучающих и направляющих видимый свет для приложений дополненной реальности. Затем возник вопрос, а можно ли использовать те же идеи для 3D-принтера на основе чипа?
Начав мозговой штурм, группа Зака Пейджа из Калифорнийского университета в Остине впервые продемонстрировала специализированные смолы, которые можно быстро отверждать с использованием видимого света. Это было недостающее звено технологии, которая воплотила в реальность 3D-принтер на основе фотонного чипа.
Соавтор проекта Сабрина Корсетти из MIT объяснила, что при использовании фотоотверждаемых смол очень сложно добиться их полного затвердевания под ИК-светом. Так они с коллегами оказались на стыке стандартной фотохимии и кремниевой фотоники. И пришли к использованию отверждаемых под видимым светом смол и чипов, излучающих этот видимый свет, чтобы создать в итоге инновационный 3D-принтер. Так слияние двух технологий породило новый способ печати.
Созданный прототип принтера состоит из одного фотонного чипа, содержащего матрицу оптических антенн толщиной 160 нанометров. Для сравнения, толщина листа бумаги — около 100 тыс. нанометров. Как видно на правой стороне иллюстрации, весь чип помещается на монетке в 25 центов США. А слева — собственно образец принтера.
При питании от автономного лазера антенны испускают управляемый луч видимого света в лунку с фотоотверждаемой смолой. Чип находится под прозрачным предметным стеклом, вроде тех, что вставляют в микроскопы. На стекле — довольно мелкое углубление со смолой. Исследователи используют электрические сигналы для немеханического направления луча, заставляя смолу затвердевать там, где на неё попадает свет.
Но эффективная модуляция света видимого спектра включает изменение его амплитуды и фазы, а потому особенно сложна. Один из распространённых методов требует нагрева чипа, но такой подход неэффективен и занял бы немало физического пространства.
Вместо этого исследователи использовали жидкие кристаллы для создания компактных модуляторов (элементов, изменяющих параметры), которые они встроили в чип. Уникальные оптические свойства материала придали модуляторам высокую эффективность при длине всего-навсего около 20 микрон.
Единственный волновод на чипе удерживает свет от встроенного лазера. Вдоль волновода проходят крошечные отводы, которые пропускают немного света к каждой из антенн.
Исследователи активно настраивают модуляторы с помощью электрического поля, которое переориентирует молекулы жидких кристаллов в определённом направлении. Так они могут точно контролировать амплитуду и фазу света, направляемого на оптические антенны.
Но формирование луча и управление им — это только половина дела. Взаимодействие с новой фотоотверждаемой смолой было совершенно другой задачей.
Группа Пейджа тесно сотрудничала с группой Нотарос, тщательно подбирая химические сочетания и их концентрации для достижения оптимальной формулы, так как требовалось обеспечить и длительный срок хранения смолы, и её быстрое отверждение.
В итоге удалось создать прототип принтера, который выполняет 3D-печать произвольных двумерных фигур за считанные секунды.
Основываясь на достигнутом, изобретатели рассчитывают создать более продвинутую систему. В ней фотонный чип будет располагаться на дне резервуара со смолой и излучать 3D-голограмму видимого света, быстро отверждая весь объект за один этап.
Но для нового достижения необходима совершенно иная кремниево-фотонная конструкция чипа. В теории уже всё продумано — осталось приступить к воплощению.
