【导读】

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术自上世纪八十年代出现，与传统的减材制造不同，增材制造采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，是一种“自下而上”的制造方法，又称3D打印技术。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，在各领域得到了广泛的应用。

2022年6月9日，莱斯大学的Tomasz S. Tkaczyk团队在Optica期刊上发表了综述文章Additive manufacturing for the development of optical/photonic systems and components，介绍了在光学/光子领域中增材制造技术的最新概要，比较了不同的增材制造技术的优缺点，并对相关应用进行了推荐说明。

【增材制造技术概要】

近年来，AM技术的进步令人难以置信。这使得元件的快速自动化一步制造成为可能。这种几何自由度允许极大的设计灵活性，实现其他技术无法实现的新形式，以及在同一过程中组合多种材料，从而实现复杂的功能。其中许多技术已进入市场，并被生物医学、汽车和航空航天、建筑、食品和教育等行业的初创公司和老牌公司广泛使用。这些技术包括：（1）光聚合；(2) 材料喷射，包括3D喷墨（化学液滴粘合）和光固化快速成形技术（紫外光固化的液态光聚合物液滴）；(3)材料挤压，包括熔融沉积成型 (FDM)，也称为熔丝制造 (FFF)和墨水直写打印；（4）双光子打印，这是一种光聚合方法，可以实现最高分辨率的打印。通过这些方法，各种结构和应用成为可能，几种技术的结构图参见图1。

图1：增材制造方法示意图

在不同的3D打印技术在光学和光子元件领域的进展不一。例如，近20年来，双光子聚合方法在研究中占有重要地位，并提供商业应用（例如 Nanoscribe、Multiphoton Optics）。许多其他印刷技术 [例如，选择性激光烧结 (SLS)、FDM、基于喷射的打印和立体光固化 (SLA)] 仍然是一个新兴领域，技术发展迅速。只有少数技术已应用于商业产品制造。这些包括镜头制造、光导原型和许多特殊功能元件的早期样本。解决了几个关键领域的问题：

（1）形状精度和粗糙度（特别是对于大型元件）;（2）光学材料的可用性，同一过程中可用材料数量的限制;（3）系统与元件级原型设计。

具体而言，虽然可以在非线性光刻工艺中获得高精度，但制造的部件很小并且由一种材料构成，使得校正复杂化并且限制了可能的几何形状的范围。另一方面，实现更大规模和多种材料复合的技术缺乏光学表面和材料密度控制所需的精度。解决这些挑战将创造巨大的新机遇，例如 :

(a) 单一工艺中的复杂多组分系统（也允许更严格的公差和推动系统设计极限的能力）;(b) 任意折射几何形状和新的设计概念;(c) 任意光导分布式成像;(d) 基于应用的定制设备尺寸;(e) 允许简化设计的新型光学复合材料;(f) 在一个开发过程中结合检测、驱动和信号。

【光子和光学元件和系统的分类和应用】

上述3D打印技术具有各自的特点和限制，如双光子打印（2PP）具有最高的细节分辨率，但其打印尺寸受限，同时需要较长的打印时间。FDM技术成本较低，但其低分辨率（＞100 µm）限制了其在纳米光学材料制造中的应用，不过其以实现许多THz范围的功能性光学材料打印。喷墨技术的分辨率和打印尺寸受到液滴的材料特性和用于分配液滴的喷嘴尺寸的限制。光聚合打印速度优于双光子打印技术，且具有较好的分辨率(25–100 µm)。因此，这些领域在不同参数下的光子和光学元件制造情景下得到各自的应用。
根据不同类别的光子和光学元件进行介绍，如图2显示了使用不同打印技术创建的跨光学（和相邻）波长的3D打印波导的示例和有前景的应用。

图2：（a）3D打印波导的应用波长和打印细节概述。(b)-(e)说明 3D 打印方法在应用方面的前景。(b) 喷墨打印可用于创建用于照明和传感应用的功能性光波导，例如使用表面印刷光导的触摸传感交互式显示器（左）。与 2PP 相比，具有优化锥度和耦合（右）的自由形状波导可以在更大的打印区域中实现。(c)印刷的FDM光纤预制棒显示出可制造具有复杂横截面几何形状的米级到光学波长的尺度光纤的潜力 （c）（左）在 630 nm 照射下绘制的结构化光纤端面。（c）（右）挤压多模光纤（L = 65 m）在543nm 处缠绕和照射。(d)直接用 DIW 打印，由丝素蛋白制成的独立式、生物相容性和弯曲波导；显示了弯曲波导（左）的单模照射和在633 nm处产生的光纤端面（右）。(e)高分辨率2PP与集成电路制造兼容，能够制造全光和混合电光电路。直接印刷在IC上的印刷光学电路的早期样本。

如图3所示不同3D打印技术可实现的光学透镜的细节分辨率和粗糙度。

图3：对比不同3D打印技术可实现的光学透镜的细节分辨率和粗糙度。元件图像及采用的3D打印技术从左到右依次为，FDM：印刷纤维面板，GRIN镜头和由3D打印的预制件拉制的阶跃折射率光纤。SLA：印刷镜头，太阳能集中器阵列，和使用Form2 SLA打印机制造的12.7mm 直径、-25 mm 焦距平凹透镜。Inkjet：透镜阵列，印刷镜头和印刷波导。2PP：复合微透镜系统，光纤、芯片、耦合器和消色差轴镜

双光子打印还可用于如图4所示光栅/衍射结构的制造。

图4：(a) 基于蜘蛛鳞片的仿生光栅结构，比例尺 = 2 µm。（b）具有不对称光栅的金字塔探针（c）相位掩模结构。(d) 用于近场聚焦的亚波长光栅。

相位调制元件的制造也大多采用双光子打印技术制造，如图5所示。

图5：(a) 光纤尖端的相元。(b) 同一相元素的放大图像。(c) 非线性晶体上的相位元。(d) 非球面透镜上的相位元件，比例尺 = 25 µm。

其他光子光学元件制品部分展示在图6。

【结束语】

如上所述，增材制造方法是光学和光子学领域的一股新兴力量，允许自由的设计形式、方法的整合和新的设计概念。同时，3D打印技术也面临着许多挑战，包括新材料扩展和多种材料打印，如使用带有双挤出机的FDM打印机时，可以打印多种材料。

正如文章中所讨论的，所有3D打印方法都有显著的优势，但也有其自身的缺点。双光子打印具有打印完整系统而不仅是单个组件的能力，这是其他打印方法的限制。然而，在考虑实际限制打印尺寸的组件打印时间时，2PP提出了重要挑战。相比之下，FDM、SLA 和喷墨打印可以实现低成本打印和大批量生产，但缺点是打印分辨率较低。增材制造领域的未来发展可以看到复合系统的发展，找到平衡各种打印技术利弊的方法。例如，SLA打印可以在单个系统中与2PP打印相结合，以使系统能够以更高的速度和更高的分辨率打印光学系统的某些部分（例如机械和支撑结构），并且根据需要对系统不同部分设置不同分辨率。

3D打印可能影响光学设计的另一种方式是制造非对称部件。传统的光学制造方法仅限于制造本质上对称的部件。因此，3D 打印有助于探索新的光学元件设计概念。无论如何，增材制造既提供了机遇，也带来了挑战，但对于发明者、研究人员和工业界来说，前景光明。

【原文信息】Gregory Berglund, Anna Wisniowiecki, John Gawedzinski, Brian Applegate, and Tomasz S. Tkaczyk, "Additive manufacturing for the development of optical/photonic systems and components," Optica 9, 623-638 (2022)