基于微投影3d打印的三維光子晶體模板的制備方法
【專利說明】基于微投影3D打印的三維光子晶體模板的制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明是涉及光子晶體制備領(lǐng)域，更具體的，涉及一種基于微投影3D打印的三維光子晶體模板的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]光子晶體是具有不同介電常數(shù)且在空間上呈周期性分布的新型光學(xué)材料，其存在光子帶隙特性，能夠?qū)μ囟l率的光起到阻擋和選擇傳播的作用。光子晶體在光傳輸、集成光電子器件、高性能激光器、傳感器、濾波器等方面的應(yīng)用極其廣泛，是當(dāng)今科學(xué)研究的一大熱點。光子晶體具有一維、二維和三維的空間分布，其中三維光子晶體因為可以實現(xiàn)完全光子帶隙從而被認(rèn)為最有應(yīng)用價值和潛力。上述具有特殊功能的三維光子晶體要求結(jié)構(gòu)中帶有特殊幾何形貌的通道或者缺陷。制備三維光子晶體的第一步是獲得相應(yīng)模板。
[0004]目前，三維光子晶體模板的制備方法主要包括化學(xué)自組裝方法、光學(xué)全息光刻法、激光直寫法等，但這些方法通常只能制備完整周期的二維或三維結(jié)構(gòu)、以及帶缺陷的二維結(jié)構(gòu)，無法滿足特殊幾何形貌通道或缺陷的三維結(jié)構(gòu)的要求。近年來得到迅猛發(fā)展的三維打印技術(shù)正好填補(bǔ)了此技術(shù)空白。三維打印又稱增材制造，比較成熟的技術(shù)方案主要包括選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective laser sintering，SLS)，立體光刻成型技術(shù)(Stereolithography,SLA)，恪融沉積成型技術(shù)(Fused Deposit1n Modeling，F(xiàn)DM)等，其高效和低成本等特點符合社會發(fā)展需要，在交通、醫(yī)療保健、軍事、教育等多個領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種基于微投影3D打印的三維光子晶體模板的制備方法，是針對微小型三維光子晶體模板的制備方法，一般微小型三維光子晶體模板包括完整周期、幾何形貌通道或缺陷的三維光子晶體結(jié)構(gòu)。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于微投影3D打印的三維光子晶體模板的制備方法，具體為:
繪制完整周期、幾何形貌通道或缺陷的三維光子晶體模型；
對三維光子晶體模型進(jìn)行切片分層，分成若干個二維圖形；
使用微投影3D打印光路系統(tǒng)，依次逐層地曝光所述的二維圖形，使得光敏樹脂吸光逐層固化，最終打印出三維光子晶體模板。
[0007]該方法將三維打印技術(shù)應(yīng)用到三維光子晶體模板制備工藝上，彌補(bǔ)了目前光子晶體模板制備工藝的不足，具有定制化程度高、工序簡單，制作成本低，面成型速度快等特點。
[0008]優(yōu)選的，上述微投影3D打印光路系統(tǒng)包括LED陣列；工程擴(kuò)散器;第一光闌；第一透鏡;第二光闌;DMD調(diào)制器;第二透鏡;第三透鏡;分束片;CXD;紫外鋁膜反射鏡;培養(yǎng)皿;鋁質(zhì)方形升降平臺；光敏樹脂;步進(jìn)電機(jī)。
[0009]LED陣列發(fā)出的光信號經(jīng)工程擴(kuò)散后入射至第一光闌，第一光闌出射的光信號依次射入第一透鏡、第二光闌和DMD調(diào)制器，經(jīng)DMD調(diào)制器調(diào)制后的光信號入射第二透鏡，經(jīng)第二透鏡后的光信號射入到分束片，分束后的光信號經(jīng)過紫外鋁膜反射鏡反射，投影到升降平臺，CCD通過第三透鏡和分束片拍攝從升降平臺上反饋回來的光信號;其中升降平臺由步進(jìn)電機(jī)控制，并放置在培養(yǎng)皿上，培養(yǎng)皿裝有光敏樹脂；
LED陣列作為光源，逐層地面投影曝光，使光敏樹脂逐層固化，打印出三維光子晶體模板。
[0010]優(yōu)選的，繪制三維光子晶體模型結(jié)構(gòu)，并以三維模型格式文件輸出；基于三維模型格式文件將三維光子晶體模型切分成若干個二維振幅型黑白圖。
[0011]優(yōu)選的，使用微投影3D打印光路系統(tǒng)，依次逐層地曝光所述的二維圖形，使得光敏樹脂吸光逐層固化。
[0012]優(yōu)選的，調(diào)節(jié)成像光斑大小和成像水平方向精度，DMD調(diào)制器上加載二維圖形，結(jié)合透鏡成像的原理，即調(diào)節(jié)DMD調(diào)制器與第二透鏡的距離，能夠縮小投影在升降平臺上光斑面積以及提高水平方向的分辨率。其中，第二透鏡為單個透鏡或透鏡組。
[0013]優(yōu)選的，CCD、第三透鏡和分束片組成反饋子系統(tǒng)，監(jiān)控光束在升降平臺表面的成像清晰情況，從而更精準(zhǔn)地定位聚焦光斑清晰成像位置；
反饋完畢，確定升降平臺上表面的位置高度，此高度為光斑成像最清晰位置，接著往培養(yǎng)皿內(nèi)緩慢傾倒光敏樹脂，直至液面接近升降平臺上表面，停止傾倒，改用滴管小量注入樹月旨，直至升降平臺恰好完全浸入樹脂中。
[0014]優(yōu)選的，微投影3D打印光路系統(tǒng)還包括控制器，用于控制步進(jìn)電機(jī)和DMD調(diào)制器，實現(xiàn)全自動打印制備。
[0015]本發(fā)明是基于LED陣列微投影光刻技術(shù)，采用逐層切片技術(shù)和面成型技術(shù)，全自動地逐層曝光，以致光敏樹脂吸光逐層固化成型，最終獲得具有幾何構(gòu)型的三維結(jié)構(gòu)，相比于激光線掃描光固化三維打印技術(shù)，這種面投影曝光成型技術(shù)大大減少打印時間，同時此打印系統(tǒng)是以LED陣列作為光源，制作成本也相應(yīng)地降低。本發(fā)明的特點是增加了縮微子系統(tǒng)(DMD調(diào)制器)和反饋子系統(tǒng)，縮微子系統(tǒng)能夠根據(jù)需要打印的光子晶體模板大小和其橫向截面的精度要求來調(diào)節(jié)成像光斑大小，定制化地打印成型;而反饋子系統(tǒng)，能更好地定位聚焦光斑清晰成像的位置，從而大大地提高三維光子晶體模板的成型質(zhì)量。總的來說，本發(fā)明所提出三維光子晶體模板制備方法是一種全自動制備方法，具有定制化程度高、工序簡單，制作成本低，面成型速度快等特點。
【附圖說明】
[0016 ]圖1是微投影3D打印光路系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖2是二維振幅黑白圖(白色區(qū)域代表模型橫截面，黑色區(qū)域代表非曝光區(qū))。
[0018]圖3是二維振幅黑白圖(選用美國空軍1951年分辨率測試圖)，用于反饋系統(tǒng)精準(zhǔn)定位聚焦光斑清晰成像位置。
[0019]圖4是實例一所述的含手性通道木堆積三維光子晶體設(shè)計模型示意圖
圖5是利用微投影三維打印技術(shù)制備實例一的三維光子晶體模板示意圖(顯微鏡俯視圖，展示了橫向10個周期)。
[0020]圖6是利用微投影三維打印技術(shù)制備實例一的三維光子晶體模板示意圖(顯微鏡側(cè)視圖，展示了樣品最上端若干層)。
[0021]圖7是利用微投影三維打印技術(shù)制備實例一的三維光子晶體模板示意圖(SEM俯視圖，展示了正中央手性通道)。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實施方式并不限于此。
[0023]圖1中，1-LED陣列；2-工程擴(kuò)散器;3-第一光闌;4-第一透鏡;5-第二光闌;6-DMD調(diào)制器;7-第二透鏡;8-第三透鏡;9-分束片；10-CCD; 11-紫外鋁膜反射鏡；12-培養(yǎng)皿；13-鋁質(zhì)方形升降平臺；14-光敏樹脂;15-步進(jìn)電機(jī)。
[0024]—種基于微投影3D打印的三維光子晶體模板的制備方法，
繪制完整周期、幾何形貌通道或缺陷的三維光子晶體模型；
對三維光子晶體模型進(jìn)行切片分層，分成若干個二維圖形；
使用微投影3D打印光路系統(tǒng)，依次逐層地曝光所述的二維圖形，使得光敏樹脂吸光逐層固化，最終打印出三維光子晶體模板；
如圖1，LED陣列I發(fā)出的光信號經(jīng)工程擴(kuò)散器2后入射至第一光闌3，第一光闌3出射的光信號依次射入第一透鏡4、第二光闌5和DMD調(diào)制器6，經(jīng)DMD調(diào)制器6調(diào)制后的光信號入射第二透鏡7，經(jīng)第二透鏡7后的光信號射入到分束片9，分束后的光信號經(jīng)過紫外鋁膜反射鏡11反射，投影到升降平臺13，CCD10通過第三透鏡8和分束片9拍攝從升降平臺上反饋回來的光信號;其中升降平臺由步進(jìn)電機(jī)15控制，并放置在培養(yǎng)皿12上，培養(yǎng)皿裝有光敏樹脂14;LED陣列作為光源，逐層地面投影曝光，使光敏樹脂逐層固化，打印出三維光子晶體模板。
[0025]實施例1
以制備微小型且含手性通道的木堆積三維光子晶體模板為例，其步驟為:
(I)利用三維模型輔助設(shè)計軟件設(shè)計出微小且?guī)中酝ǖ赖哪痉e推模型如圖，該結(jié)構(gòu)是由多條完全等同的長方體棒條周期性排列構(gòu)成，每條棒條橫截面寬度為0