В этом документе рассматривается преобразующий потенциал голографическая 3D-печатьКнига начинается с введения, в котором описываются ограничения традиционного аддитивного производства. В нем рассматриваются принципы голографии и ее применение в производстве, подчеркивается роль пространственных модуляторов света и преимущества объемного производства. Обсуждается создание компьютерных голограмм для оптического производства, методы создания сложных 3D-распределений света и связанные с этим проблемы. Далее рассматриваются преимущества параллельного изготовления с помощью голографической обработки, представление 3D-структур в виде световых полей и вычислительные методы, связанные с созданием проекций световых полей. Рассматриваются области применения голографической 3D-печати в нанопроизводстве, в частности в производстве нанофотонных и наноэлектронных устройств, метаматериалов и микроэлектромеханических систем. (MEMS). Наконец, документ завершается кратким изложением основных выводов и будущих направлений развития технологии, а также разделом, посвященным часто задаваемым вопросам о голографической 3D-печати.

Аддитивное производство произвела революцию в производстве трехмерных объектов, позволяя создавать ранее немыслимые геометрические формы путем послойного построения. Однако традиционные подходы к 3D-печати сталкиваются с ограничениями по скорости, сложности и минимально достижимым размерам элементов. Новый многообещающий подход, использующий световые поля и голографическую проекцию, позволяет значительно увеличить производительность. Представляя 3D-структуры в виде объемных распределений света, можно вычислительно определить сложные профили интенсивности света и напечатать их с помощью программируемых пространственных модуляторов света. Воздействие света на фоточувствительные материалы позволяет добиться одноэтапного затвердевания целых структур. Расчеты предсказывают скорость параллельного производства на 20 порядков быстрее, чем при использовании традиционных подходов. Подобно методам микроскопии, вычислительные голограммы позволяют кодировать разрешение за пределами дифракционного предела. В сочетании с многофотонной полимеризацией было показано разрешение, приближающееся к десяткам нанометров. Изготовление макромасштабных объемов, содержащих плотно упакованные наноразмерные элементы, предоставляет беспрецедентную свободу дизайна. Тем не менее, остаются ограничения по размещению произвольной геометрии в обширном пространстве сборки. Достижения в области представления светового поля и пространственной модуляции позволяют устранить эти ограничения.

Этот новый аддитивный метод знаменует собой смену парадигмы по сравнению со слоистым производством. Использование голографии позволяет формировать свет в цифровом виде для быстрого роста структуры. Реализация всего потенциала вычислительного структурированного освещения обещает произвести революцию в нанопроизводстве и открыть новые технологические горизонты.

Согласно последним данным Google Trends, интерес к голографической 3D-печати с использованием световых полей значительно вырос. Эта новая технология аддитивного производства обеспечивает значительное увеличение скорости по сравнению с традиционными методами послойной 3D-печати. Традиционная 3D-печать ограничена из-за ее зависимости от точечного или послойного воздействия. Голографические методы представляют 3D-структуры в виде скульптурных распределений интенсивности света, которые могут быть напечатаны за один шаг. Расчеты показывают, что производительность увеличивается более чем на 20 порядков по сравнению с последовательными методами. Недавние эксперименты позволили напрямую изготавливать сложные 3D-объемы по требованию путем кодирования голограмм в фоточувствительных смолах. Исследователи продемонстрировали печать металлических структур сантиметрового размера с разрешением, близким к 100 нанометрам.В настоящее время работа сосредоточена на оптимизации фоторезистов для повышения чувствительности, что позволит проецировать более сложные световые узоры. Достижения в области вычислительных голограмм направлены на моделирование и оптимизацию чрезвычайно сложных неклассических 3D-профилей интенсивности.Анализ тенденций показывает постоянно растущий интерес к применению голографии и световых полей для расширения границ технологии 3D-печати. Исследователи изучают массивно-параллельные альтернативы, позволяющие создавать специализированные мезо- и наноразмерные компоненты для таких отраслей, как фотоника, робототехника и биотехнологии. Дальнейшая оптимизация направлена на расширение масштабов печати и режимов сложности. Реализация пропускной способности, разрешения и масштабируемости, предлагаемых вычислительным структурированным освещением, может нарушить традиционное производство. Голографическая 3D-печать позволяет радикально ускорить процесс синтеза индивидуальных 3D-микроструктур.

Голографическое производство для аддитивного производства

Голография позволяет многообразно формировать структурированный свет путем наложения специальных оптических фазовых профилей. Пространственные модуляторы света позволяют кодировать сложные двумерные фазовые маски с помощью миллионов независимо адресуемых пикселей. При освещении когерентным лазерным светом эти пространственные голограммы могут создавать скульптурные трехмерные модели интенсивности за счет скалярной дифракции. В предыдущих исследованиях изучалось использование голограмм для проецирования двумерных рисунков для послойной фотополимеризации. Однако прямая генерация трехмерных световых распределений могла бы обеспечить одноэтапное объемное изготовление без необходимости укладки слоев. Недавние исследования позволили сшить голограммы, рассчитанные для последовательных фокальных плоскостей, в качестве шага к трехмерному структурированному освещению.

Компьютерные голограммы для оптического производства

Голография позволяет формировать световые поля путем наложения оптических фазовых фронтов на падающие лучи. Дифракционные оптические элементы могут создавать пространственно модулированные фазовые фронты для создания сложных структурированных световых полей. Голограммы, закодированные на пространственных модуляторах света, таких как цифровые микрозеркальные устройства, позволяют динамически управлять миллионами независимо адресуемых пикселей. Это позволяет генерировать изменяющиеся во времени сложные 3D-распределения интенсивности света для применения в производстве.

Голографические технологии обеспечивают огромный параллелизм по сравнению с методами последовательного экспонирования. Вместо записи по точкам пространственные модуляторы света позволяют одновременно проецировать структурированные световые картины, содержащие тысячи индивидуально адресуемых фокусов. В предыдущих работах рассматривалось разделение лазерных пучков на микромасштабные массивы фокусных пятен для увеличения производительности изготовления. Однако возможность независимого управления фазой каждого луча позволяет создавать гораздо более сложные трехмерные световые поля.

Объемная экспозиция для трехмерного структурированного света

Предыдущие подходы к использованию голограмм были ограничены 2D-шаблонами отдельных плоскостей. Недавние исследования показали возможность создания скульптурных трехмерных световых полей для непосредственного изготовления трехмерных структур. Сшивая голограммы, рассчитанные для последовательных плоскостей глубины, можно формировать сложные 3D-распределения интенсивности света в фоточувствительных смолах. Это позволяет в один этап затвердевать целым 3D-структурам без послойного сканирования или укладки.

Согласно теоретическим прогнозам, скорость обработки голографических изображений может быть на двадцать порядков выше, чем при традиционных подходах, благодаря полностью параллельному объемному экспонированию. Преодоление проблем масштабируемого расчета и оптимизации сложных трехмерных голограмм является ключом к реализации этого потенциального преимущества в производительности. Передовые алгоритмы из таких областей, как глубокое обучение, могут помочь в вычислительном проектировании сложных многомерных голограмм.

Параллельное изготовление с голографической обработкой

Голографические технологии обеспечивают огромный параллелизм в обработке материалов. Вместо последовательного экспонирования по точкам можно одновременно проецировать сложные световые картины, содержащие тысячи или миллионы индивидуально адресуемых очагов. Такое массивно-параллельное экспонирование позволяет изготавливать структуры гораздо быстрее, чем при использовании традиционных методов литографии. Теоретически возможны скорости, в миллионы раз превышающие скорость последовательных методов.

Недавние эксперименты продемонстрировали объемную полимеризацию путем проецирования базовых интерференционных картин. Однако иерархическая оптимизация для очень сложных произвольных целевых структур остается нерешенной задачей. Интеграция пространственных модуляторов света с повышенным разрешением, программируемостью и эффективностью может расширить сложность достижимых картин светового поля. Решение этих технологических проблем может вывести голографическую литографию на рубеж масштабируемого трехмерного нанопроизводства.

Кодирование светового поля для Аддитивное производство

Представление трехмерных структур с помощью кодирования светового поля дает возможность полностью задать скульптурные распределения интенсивности для аддитивного производства. Изначально разработанные в компьютерной графике, световые поля фиксируют геометрические и направленные свойства сцен путем выборки перспективных видов. Трехмерный объект можно разложить на набор двумерных изображений, снятых под разными углами вокруг объекта.

Представление 3D-структур в виде световых полей

Концепции светового поля, первоначально разработанные в компьютерной графике, позволяют представлять трехмерные структуры в терминах информации о лучах, входящих в их состав. 3D-объекты обычно разлагаются на множество 2D-изображений, полученных под разными углами. Захват нескольких перспективных видов позволяет записать все геометрические и направленные свойства 3D-структуры в формате, пригодном для голографического экспонирования.

Кодирование трехмерных целевых структур в виде вычислительных световых полей позволяет моделировать распространение и пересечение перспективных представлений в светочувствительной матрице. Алгоритмы, подобные методу углового спектра, численно распространяют входные маски ракурсов на последовательные плоскости глубины, создавая составное многоракурсное представление. Путем итеративной оптимизации такие моделирования позволяют минимизировать различия между целевыми и восстановленными профилями интенсивности, чтобы найти оптимальные представления, подходящие для проекционной литографии.

Генерирование вычислительных голограмм светового поля

Алгоритмы, такие как метод углового спектра или распространение Френеля, могут распространять отдельные перспективные виды через пространство на пересекающиеся плоскости глубины, моделируя композитную 3D-интенсивность света, которая должна получиться в результате. Итерационные методы оптимизации минимизируют различия между моделируемым и желаемым распределением света для получения оптимизированных голограмм. Аппаратно-ориентированные подходы непосредственно оптимизируют голограммы для пространственных модуляторов света, чтобы физически наложить индивидуальные 3D-профили интенсивности.

Программируемые пространственные модуляторы света теперь позволяют динамически контролировать время в сложных многомерных проекциях. Кодирование мультиплексированных изображений в последовательные временные срезы позволяет осуществлять одновременное параллельное воздействие на множество независимо управляемых очагов. Таким образом, пространственные модуляторы представляют собой аппаратно подключаемые средства физического кодирования оптимизированных с точки зрения вычислений световых полей для проекционной литографии.

Параллельное экспонирование пространственно-временных световых полей

Последовательные перспективные виды, закодированные в световом поле, могут быть одновременно спроецированы с помощью пространственных модуляторов света. Программируемые устройства обеспечивают динамический контроль над отдельными очагами, позволяя произвольно изменять интенсивность воздействия в пространстве и времени для определения 3D-фотонных особенностей. Массивные параллельные очаги потенциально могут позволить структурировать целые объемы практически мгновенно на основе вычислительных представлений светового поля.

Кодирование инструкций трехмерной печати в виде световых полей открывает путь к массовому распараллеливанию объемного производства. Вместо точечной последовательной записи в воксельном масштабе можно структурировать целые популяции элементов в макроскопических объемах сборки за одну экспозицию. Теоретические прогнозы показывают, что такое распараллеливание может ускорить изготовление на двадцать один порядок по сравнению с традиционными литографическими методами. Преодоление связанных с этим вычислительных и управляющих ограничений имеет решающее значение для реализации этого потенциального производственного преимущества.

Применение в нанопроизводстве

Способность кодировать и проецировать сложные трехмерные световые поля с наноразмерным разрешением открывает новые возможности для распределенного производства фотонных и электронных устройств. Объемная голографическая литография, ранее недоступная при использовании традиционных подходов "сверху вниз", теперь позволяет напрямую изготавливать массивы структурированных элементов, таких как плазмонные антенны, метаматериалы и фотонные кристаллы.

Изготовление нанофотонов и наноэлектронные устройства

Оптическое кодирование наноразмерных элементов с помощью голографической литографии позволяет обойти ограничения последовательных электронно-лучевых методов. Сложные 3D-структуры массивов плазмонных наноантенн, нанопроволочных цепей и фотонных кристаллов становятся жизнеспособными благодаря параллельному одномоментному экспонированию или высокопроизводительной проекционной литографии. Структурированное освещение позволяет использовать подходы самосборки "снизу вверх" для изготовления функциональных наноустройств.

Самосборка функциональных оптических компонентов "снизу вверх" становится возможной благодаря проецированию спроектированных трехмерных полимерных лесов. Сложные топологии скаффолдов, такие как спиральные башни и спиральные дорожки, позволяют контролировать вращение и геометрическую перестройку во время застывания материала. Помимо структурных цветов, можно структурировать программируемые оптические реакции в видимом спектре и за его пределами.

Производство метаматериалов и метаустройств

Возможность 3D-печати микроскопических структур с наноразмерными характеристиками открывает новые возможности для создания сложных метаматериалов. Материалы с двойным отрицательным индексом, гиперболические метаматериалы и хиральные метаматериалы могут быть изготовлены с помощью параллельного объемного голографического производства. Кроме того, оптическое кодирование позволяет создавать динамические метаповерхности, способные управлять лучом во времени, линзировать и контролировать волновой фронт.

Возможность нанесения рисунка на органические и гибридные электронные схемы позволяет реализовать вертикально-интегрированные архитектуры схем в наномасштабе. Трехмерное мультиплексирование проводящих, изолирующих и полупроводниковых красок позволяет создавать наноэлектронные устройства с распределенной логикой, памятью и датчиками в микроскопических объемах. Фотонные межсоединения, созданные с помощью голографической литографии, представляют собой альтернативу узким местам электронных межсоединений.

Изготовление микроэлектромеханических систем

Микромоторы, микророботы и другие микроэлектромеханические системы становятся возможными благодаря изготовлению с высоким разрешением трехмерных магнитных, термоэлектрических и пьезоэлектрических компонентов. Сложные наномеханические связи, шестеренки и приводы становятся возможными благодаря многоэкспозиционной объемной сборке от наномасштаба вверх без использования механических сборочных операций. Таким образом, голографическое производство расширяет функциональные границы микромасштабных устройств.

Микромасштабные устройства, такие как магнитные микродвигатели, микрофлюидные смесители и архитектуры "лаборатория-на-чипе", могут использовать встроенные реконфигурируемые приводы, насосы и функциональные компоненты, изготовленные с помощью вычислительного голографического воздействия. Сложные архитектуры становятся возможными благодаря гибридной интеграции наноразмерных функциональных и структурных материалов в сочетании с мезоструктурами.

Существует потенциал для создания многомасштабных интеллектуальных композитов, объединяющих функциональные возможности от молекулярных до макроскопических размеров. Объемная нанофабрикация в световом поле представляет собой платформу, позволяющую программировать затвердевание полимеров, металлов, стекол и полупроводников в иерархические архитектуры устройств за пределами существующих ограничений серийного производства в нанометровом масштабе.

Заключение

В этом обзоре предложена новая парадигма аддитивного нанопроизводства - голографическая светополевая 3D-печать. Предыдущие исследования в области голографического и светополевого производства показали многообещающие результаты, однако ограничения по пропускной способности, разрешению и сложности сдерживают их влияние. Кодирование 3D-структур в виде вычислительных световых полей открывает новые возможности для параллельного проецирования скульптурных 3D-профилей интенсивности с помощью пространственных модуляторов света. Теоретические прогнозы показывают, что этот подход может обеспечить на 21 порядок более высокую производительность изготовления по сравнению с традиционными литографическими методами. Преодоление технических препятствий в вычислении и проецировании светового поля может привести к революции в производстве микро- и наноразмерных 3D-устройств.

Области дальнейшего развития включают оптимизацию химии фоторезиста для более высокой чувствительности надписи, а также изучение механизмов многофотонного поглощения, таких как двухступенчатое поглощение. Интеграция оптических метаповерхностей для генерации светового поля обещает новые уровни сложности рисунка и глубины резкости. Сочетание голографического экспонирования с подвижными подложками открывает пути для расширения объема изготовления. Продолжающийся прогресс в крупномасштабной и недорогой пространственной модуляции света также обещает снизить барьер для коммерческих и промышленных применений аддитивного производства светового поля. Реализация всего потенциала вычислительной голографии и структурированного света может привести к новым технологическим рубежам от нанофотоники до микроэлектромеханических систем. Голографическая нанофабрикация в световом поле способна изменить способы синтеза сложных 3D-наноструктур.

ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ:

Вопрос: Как голография позволяет осуществлять 3D-печать в световом поле?

О: Голография позволяет создавать индивидуальные 3D-распределения интенсивности света путем кодирования сложных оптических фазовых профилей. Пространственные модуляторы света могут накладывать индивидуальные фазовые маски, которые дифрагируют падающий лазерный свет в структурированные 3D-световые поля для литографического воздействия на фоточувствительные материалы.

В: Что такое световое поле и как оно представляет 3D-структуры?

A: Световое поле кодирует 3D-геометрию через набор 2D-изображений перспективы, полученных с окружающих точек обзора. 3D-объекты могут быть разложены с помощью вычислений и спроецированы как пересекающиеся виды внутри фотоактивной матрицы, чтобы определить составной профиль интенсивности для одноэтапного изготовления.

В: Как эта технология решает проблемы, связанные с традиционными подходами к 3D-печати?

О: Моделируя целые трехмерные световые поля, голографическая литография обеспечивает полностью параллельное объемное экспонирование в макроскопических объемах, что позволяет обойти ограничения по производительности, стоимости и сложности, накладываемые послойными процессами.

В: Существуют ли ограничения по разрешению или размеру при использовании данного подхода?

О: Разрешение за дифракционным пределом теоретически возможно при использовании передовых технологий формирования света. Однако существуют ограничения, связанные с доступной мощностью лазера, оптимальной сенсибилизацией фоторезиста и вычислительными ресурсами, необходимыми для представления все более крупных и сложных структур.

Вопрос: Как можно применить этот метод в практическом нанопроизводстве?

О: Потенциальные области применения включают изготовление функциональных метаматериалов, нанофотонных схем, МЭМС, систем "лаборатория-на-чипе" и иерархических "умных" композитов, использующих программируемую интегрированную функциональность нано и мезомасштабов.