这项工作结合了硅光子学和光化学领域，提出了第一种基于芯片的 3D 打印技术。
尽管 3D 打印已经彻底改变了现代社会几乎每个方面的创造方式，但当前的 3D 打印机依靠大型复杂的机械系统来实现逐层添加材料。限制了打印速度、分辨率、便携性、外观尺寸和材料复杂性。尽管最近有人努力开发基于光固化的新型 3D 打印机，利用光通过先进的方法将物质从液态树脂转化为固体物体，但它们仍然依赖于笨重而复杂的机械系统。
为了解决这些限制，麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员结合了硅光子学和光化学领域，提出了第一款基于芯片的 3D 打印机。所提出的系统仅由单个毫米级光子芯片组成，没有一点移动部件，可将可重构的可见光全息图发射到简单的固定树脂井中，以实现非机械 3D 打印。
麻省理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员展示了第一台基于芯片的 3D 打印机，朝着实现这一想法迈出了重要一步。他们的概念验证设备由一个毫米级光子芯片组成，该芯片将可重构光束发射到树脂孔中，当光线照射到树脂孔中时，树脂孔会固化成固体形状。
基于芯片的 3D 打印机概念。照片显示 a 一台典型的商用 3D 打印机，带有光子芯片（黑色轮廓），用于比例计算；b 制造和封装的光子芯片。c 拟议的基于芯片的 3D 打印机的概念图，显示了树脂腔内芯片形成的全息图（未按比例）。d 本工作中展示的概念验证立体光刻启发的基于芯片的 3D 打印机的概念图（未按比例）
原型芯片没有移动部件，而是依靠微型光学天线阵列来控制光束。光束向上投射到液态树脂中，这种树脂在暴露于光束波长的可见光下时会迅速固化。
通过结合硅光子学和光化学，这个跨学科研究团队成功研发出一种芯片，可以引导光束 3D 打印任意二维图案，包括字母。只需几秒钟，形状就可以完全成型。
从长远来看，他们设想的系统是将光子芯片放置在树脂井的底部，并发射可见光的 3D 全息图，只需一步就可以快速固化整个物体。
这种便携式 3D 打印机有很多应用，例如允许临床医生创建定制的医疗设施组件或允许工程师在工作现场制作快速原型。
“该系统完全重新定义了 3D 打印机。它不再是一个放在实验室工作台上用来制造物品的大盒子，而是一个可以手持和携带的东西。想想由此可能会产生的新应用以及 3D 打印领域将如何改变，真是令人兴奋，”作者 Jelena Notaros 说道，她是电气工程和计算机科学 (EECS) 的 Robert J. Shillman 职业发展教授，也是电子研究实验室的成员。
与 Notaros 一起参与撰写该论文的还有论文第一作者、EECS 研究生 Sabrina Corsetti、Milica Notaros 博士（23 届）、EECS 研究生 Tal Sneh、德克萨斯大学奥斯汀分校应届毕业生 Alex Safford 以及德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程系助理教授 Zak Page。该研究于今日（6 月 6 日）在《光：科学与应用》上发表。
Notaros 团队是硅光子学专家，他们之前开发了集成光学相控阵系统，该系统使用一系列采用半导体制造工艺在芯片上制造的微型天线来控制光束。通过加速或延迟天线阵列两侧的光信号，他们能够将发射光束移向某个方向。
此类系统是激光雷达传感器的关键，激光雷达传感器通过发射红外光束，这些光束从附近的物体上反射回来，从而绘制周围环境的地图。最近，该团队专注于为增强现实应用发射和引导可见光的系统。
就在他们开始集思广益的同时，德克萨斯大学奥斯汀分校的 Page Group 首次展示了可使用可见光波长快速固化的专用树脂。这是推动基于芯片的 3D 打印机成为现实的缺失部分。
“对于光固化树脂，很难让它们在红外波长下完全固化，而过去集成光学相控阵系统就是在红外波长下为激光雷达工作的，”科尔塞蒂说。“在这里，我们利用可见光固化树脂和可见光发射芯片，在标准光化学和硅光子学之间找到平衡，创造出了这种基于芯片的 3D 打印机。你将这两种技术融合成一个全新的想法。”
他们的原型由一个光子芯片组成，芯片上包含一组厚度为 160 纳米的光学天线。（一张纸的厚度约为 100,000 纳米。）整个芯片可装在一枚 25 美分硬币上。
当由芯片外激光器供电时，天线会将一束可操纵的可见光发射到光固化树脂槽中。芯片位于透明载玻片下方，类似于显微镜中使用的载玻片，载玻片上有一个浅凹口，用于容纳树脂。研究人员使用电信号非机械地操纵光束，使树脂在光束照射到的地方固化。
这项工作结合了硅光子学和光化学领域，提出了第一种基于芯片的 3D 打印技术。所提出的系统仅由单个毫米级光子芯片组成，没有一点移动部件，可将可重构的可见光全息图发射到简单的固定树脂井中，以此来实现非机械 3D 打印。
首先，团队提出了这种基于芯片的通用 3D 打印机概念，并概述了完整实施的关键要求。
其次，作为概念验证演示，通过结合可见光集成光学相控阵和可见光激活光化学等新兴技术，通过实验演示了这种基于芯片的 3D 打印机概念的立体光刻启发版本；该系统由可见光集成光学相控阵组成，可发射光束并将其非机械地引导到可见光固化树脂孔中。
第三，利用该系统对体素进行光固化，从而首次展示了使用基于芯片的系统来进行 3D 打印。
第四，经过测量单个 3D 打印体素的尺寸与固化时间的关系来表征该系统的固化速率，观察到亚毫米级体素在几秒钟内打印出来。
第五，利用系统的非机械光束引导功能，在没有一点移动部件的情况下实现一维线D 打印。
最后，扩展了此功能，以演示使用该系统在二维上进行任意图案的 3D 打印。
将来，该团队将扩展本文中提出的初步概念验证演示，并展示完整的基于芯片的体积 3D 打印机概念。作为利用当前基于芯片的 3D 打印机的初始步骤，将在芯片上耦合一个片外可调可见波长激光器，能够在集成光学相控阵66的天线维度上执行非机械波长光束控制。
本研究引入的基于芯片的 3D 打印技术有望为下一代 3D 打印机提供高度紧凑、便携且低成本的解决方案。这种解决方案将提供更方便、更快速的 3D 物体生成机制，影响军事、医疗、工程和消费的人等广泛应用领域。
