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想像一下，一個可隨身攜帶的3D打印機，小到可以握在掌心。這個微型裝置可以讓使用者隨時隨地快速製作客製化、低成本的物品，例如修理搖晃的腳踏車輪的扣件，或者在緊急醫療手術中使用的零件。
麻省理工學院和德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員朝著這個想法邁出了重要的一步，他們展示了首款基於晶片的3D印表機。這個概念驗證裝置由一個單一的、毫米級的光子晶片組成，該晶片可以發射重組的光束到一個樹脂池中，當光線照射到樹脂時，樹脂會固化成固體形狀。
這個原型晶片沒有任何移動零件，而是依靠一系列微型的光學天線來引導光束。光束向上投射到液態樹脂中，當光束的可見光波長照射到樹脂上時，樹脂會迅速固化。
透過結合矽光子學和光化學，這個跨學科研究團隊展示了一個可以引導光束以3D列印任意二維圖案的晶片，包括M-I-T這些字母。形狀可以在幾秒鐘內完全形成。
長期來看，他們設想了一個系統，光子晶片位於在樹脂池底部，發射出一個可見光的3D全像圖，進而在一步驟中快速固化整個物體。
這種便攜式3D印表機可以有許多應用，例如使臨床醫生能夠製作量身定制的醫療設備組件，或者允許工程師在工作現場製作快速原型。
「這個系統完全重新思考了什麼是3D印表機。它不再是放在實驗室裡創造東西的一個大盒子，而是一個可以手持便攜的東西。想想可能會出現的新應用以及3D列印領域可能會如何改變，這真是令人興奮。」 資深作者葉萊娜·諾塔洛斯（Jelena Notaros）說，她是Robert J. Shillman電氣工程和計算機科學（EECS）的職業發展教授，也是電子研究實驗室的成員。
與Notaros一起撰寫這篇論文的有：EECS研究生、主要作者莎布麗娜·科塞蒂（Sabrina Corsetti）；2023年博士畢業的米莉卡·諾塔羅斯（Milica Notaros）；EECS研究生Tal Sneh；德克薩斯大學奧斯汀分校的應屆畢業生艾力克斯·薩福德（Alex Safford）；以及德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程系助理教授查扎克·佩奇（Zak Page）。這項研究今天發表在《Nature Light Science and Applications》上。
使用晶片進行列印
Notaros團隊是矽光子學的專家，之前開發了整合的光學相控陣系統，透過在晶片上使用半導體製造工藝製造一系列微米級天線來引導光束。透過加速或延遲天線陣列兩側的光訊號，他們可以在某個方向上移動發射的光束。
這樣的系統是光學雷達傳感器的關鍵，這些傳感器透過發射反射到附近物體的紅外光束來繪製周圍環境的地圖。最近，該團隊專注於發射和引導可見光的系統，用於擴增實境應用。
他們想知道這樣的裝置是否可以用在基於晶片的3D印表機。
大約在他們開始集思廣益的同時，德克薩斯大學奧斯汀分校的Page團隊首次展示了可以快速固化的可見光波長專用樹脂。這是推動基於晶片的3D印表機成為現實的關鍵因素。
「使用光固化樹脂時，很難讓它們在紅外波長下完全固化，這是過去用於光學雷達的整合光學相控陣系統的運行波段。」 科塞蒂說。「在這裡，我們透過使用可見光固化樹脂和可見光發射晶片，將標準光化學和矽光子學結合起來，創造出了這種基於晶片的3D印表機。這是兩種技術的融合，形成了一個全新的概念。」
他們的原型由一個單一的光子晶片組成，包含一系列160奈米厚的光學天線。（一張紙的厚度約為100,000奈米。）整個晶片可以放在一枚美國25美分硬幣上。
當由晶片外的雷射器供電時，天線發射可引導的可見光束到光固化樹脂池中。晶片位於一個像顯微鏡中使用的透明載玻片下方，載玻片上有一個淺的凹槽，用來容納樹脂。研究人員使用電訊號非機械性地引導光束，使樹脂在光束照射到的地方固化。
協作方式
但有效地調節可見波長的光，包括修改其振幅和相位，尤其困難。一種常見的方法需要加熱晶片，但這效率低下且佔用大量物理空間。
相反，研究人員使用液晶製造緊湊的調變器，將其整合到晶片上。材料的獨特光學特性使得調變器非常高效，長度僅約20微米。
晶片上的一個單一波導包含來自晶片外雷射器的光。在波導上方有微小的分光點，這些分光點將少量光分配給每個天線。
研究人員透過使用電場主動調整調變器，重新定向液晶分子的方向。透過這種方式，他們可以精確控制傳輸到天線的光的振幅和相位。
但形成和操縱光束只是成功的一半。與新型光固化樹脂的介面是一個完全不同的挑戰。
德克薩斯大學奧斯汀分校的Page團隊與麻省理工學院的Notaros團隊緊密合作，仔細調整化學組合和濃度，精確確定了一個具有長保質期和快速固化的配方。
最終，該團隊使用他們的原型在幾秒鐘內3D列印出任意的二維形狀。
在這個原型的基礎上，他們希望朝著開發他們最初構想的系統邁進——一個在樹脂池中發射可見光全像圖的晶片，使得在一步驟中實現體積3D列印。
「為了能夠做到這一點，我們需要一個全新的矽光子晶片設計。我們已經在這篇論文中列出了最終系統的許多設計藍圖。現在，我們很高興繼續朝著這個最終展示的方向努力。」葉萊娜·諾塔洛斯說。
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