光学3D打印是一种广泛应用于光子学、电子学、力学和生物学领域的增材制造技术，其制造过程可以描述为：在空间和时间维度上构建复杂的光场图案，并将相应的光子空间和时间分布转换为材料图案。
近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构martin wegener该团队在Nature Reviews Physics上发表了一篇题为“.the physics of 3d printing with light**。 文章重点：聚焦光学 3d印刷技术的物理基础，包括干涉光刻、断层扫描、体积增材制造、立体光刻、连续液体界面印刷、光片印刷、平行时空聚焦和（多）焦点扫描;本文总结了多种光-物质相互作用过程，提出了光学3D打印技术未来发展的物理和工程挑战。
创建时空光场
要创建任意形状的 3D 光场分布，您可以考虑叠加来自不同方向的光线，并将其与适当的墨水**组合，以在单个照明中创建各种 3D 对象。 有很多方法可以实现这一目标，通过使用单个体积的相干光**，可以创建各种奇怪形状的 3D 体积。
图 1 显示了由各种光束整形方法产生的光场分布等强度的表面。 图1a显示了6束光束（线偏振）和1束光束（圆偏振）相互作用产生的螺旋光场结构。 图1b分别显示了空间聚焦的高斯光束、用于抑制打印的瓶形光束和双螺旋光场。 图1c显示了单个时空聚焦矩形图案的等强度层。 在任何给定时刻，都只存在一个强度相等的线性层，该线性层通过焦平面中的扫描（t1 t2）进行图案化。 图 1D 显示了由不同角度的 2D 投影光场图案叠加形成的等强度表面，以实现断层扫描体积增材制造。 图1e显示了逐层打印的交叉强度表面，打印体积位于光片（红色区域）和垂直投影图案（蓝色区域）的交点处。 
图1 光场分布强度相等的表面。 a、干涉光刻;b， 空间焦点;c， 时空焦点;d， 断层扫描体积增材制造;e、逐层法
揭示光与物质之间的相互作用
在3D打印过程中，油墨内部的光场与某些分子耦合。 通常，这些分子是有意添加到油墨中的光引发剂。 在极少数情况下，液体（单体）本身可以与光耦合。 这种相互作用通常伴随着光引发剂内的弛豫过程，导致系统的相关激发态，从而触发化学反应，从而允许打印材料。 然而，对于具有多个能级和能级之间多次辐射和非辐射跃迁的引发剂分子（如图2所示），在相对光强I和局部**剂量d之间建立关系并不容易，这往往取决于不同的打印模式。 以干涉光刻为例，局部**剂量d与相对光强i成正比，为简单的局部线性光吸收。 目前，一些研究表明，温度t与相对光强i的关系在无机材料和金属材料的形成中起着重要作用。 
图2 光学3D打印过程中光与物质相互作用的能级图
材料成型机理
从局部**剂量d和/或温度t（均由相对光强度i产生）到材料的局部成型的过程通常很复杂。 不同材料的形成机理也存在很大差异，这与化学和材料科学领域密切相关。 对于聚合物，可以使用阈值模型来描述形成机理：如果完成后的局部剂量d高于临界阈值剂量，则可以在显影过程中保留充分固化的聚合物，如图3a-e所示。 对于金、银、铂等***，最初通过单光子或多光子吸收，水性油墨中金属盐的浓度降低，导致纳米颗粒的分布。 然后，这些粒子在强烈的局部温度梯度或光引起的力下移动，所有这些都与电场相连。 最后，一部分纳米颗粒在强烈的激光照射作用下部分烧结在一起。 该工艺还可以与单体的同时聚合相结合，从而提高机械稳定性，如图3f所示。 对于半导体金属氧化物，紧密聚焦光斑引起的温度t升高起关键作用，玻尔兹曼因子随温度t的升高而急剧增加，相对光强i也随之增加，再次引入类似的阈值过程。 
图3 光学3D打印技术制备的3D结构
关键绩效指标
图 4 显示了光学 3D 打印机报告的打印速度（以体素 S-1 为单位）和体素大小，这两个关键指标跨越了多个数量级。 以双光子聚合激光直写为例华中科技大学熊伟教授团队首次提出了一种基于声光扫描和空间切换的纳米3D打印方法，该技术的打印速度达到了创纪录的76 × 10voxels，高于先前报道的双光子光刻方法的产率高出近一个数量级为实现大规模双光子聚合3D打印方法提供了可行的技术路线。
图4 光学3D打印机性能参数总结与展望
光学3D打印已成为学术界和工业界广泛应用和发展的增材制造技术。 尽管如此，该技术仍面临许多挑战：“更精细”、更高的空间分辨率;更快、更快的打印速度;“更多”进一步拓展多材料打印的可能性;“更便宜”，降低高端3D打印机的成本。 其中，光源等部件的小型化是努力的方向。 未来，物理学将在光学3D打印技术的进一步发展中发挥关键作用。 同时，它需要与光学、激光科学、化学、材料科学和工程科学等领域紧密结合。
双光子打印设备
国产双光子打印设备可简称如下。 飞秒激光双光子聚合直写设备由华中科技大学自主研发，上海金磊光电牵头研制。