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全息,不仅是“全息”

2022-04-13

  增材制造区别于减材制造,是一种“自下而上”“从无到有”的制造方法。3D打印是一种常见的增材制造技术,包括熔融沉积成型、激光选区熔融成型、立体光刻成型等。3D打印技术的基本原理是逐层堆积。与之不同,全息打印是一次成型,避免了重复扫描、逐层堆积产生的层间缺陷,大大缩短了制造时间,并增强了打印构件的强度。全息打印系统可利用三个激光束干涉形成光强场,从而精确构筑所设计的复杂结构。全息打印技术的打印速率较高,可达105mm3/h。

  对微纳粒子实施精准的捕获、移动、排列等操控是当前的科学前沿和研究热点。这种操控可通过声场、电场、磁场、光场来实现。光镊(optical tweezers)是一种典型的光场操控技术,由美国贝尔实验室Ashkin于1986年发明。因具有无接触、低损伤等特点,光镊技术被认为是生命科学、胶体物理、材料化学等研究领域的关键技术之一。Ashkin因发明光镊技术而获得了2018年诺贝尔物理学奖。

  传统光镊技术一次仅能捕获或操控一个微粒。若同时操控多个微粒,则需利用扫描振镜(galvo scanner)或多光束耦合产生多个光阱(light trap),但光学系统复杂,且能形成的光阱数量有限。全息光镊可构建排列有序的光镊阵列,进而实现对多个粒子进行同时捕获、操控以及单粒子旋转。美国芝加哥大学Gier于1998年首次报道了全息光镊,他们利用全息光学元件将激光分成多个独立光束,然后汇聚,构建了4×4的光镊阵列,实现了对16个粒子的同时操控。

  声场操控具有穿透性强的优势,近年来已成为重要的研究方向。声波的扩散取决于材料的模量。由于微粒与周围环境的模量差异较大,粒子与周围环境的界面处易发生声波散射,从而改变部分声波的传播方向。这种声波散射会产生声辐射力,使悬浮在流体中的微粒发生迁移。声波操控利用换能器将电能转换成声能,进而产生声波以操控微粒。欲精确操控多个微粒需使用3D声场,但构建3D声场需将大量换能器组装在一起形成阵列,不仅系统复杂,而且过程烦琐,限制了声场操控系统的发展。德国斯图加特大学Fischer等利用声全息图来调控声场,仅用单个换能器就制造出了所需的3D声场。

  ①选取目标图案(飞翔的鸟);

  ②通过计算将选中的目标图案转换成声全息图;

  ③利用3D打印获得声全息图构件;

  ④换能器产生声波穿过声全息图构件;

  ⑤利用声压传感器检测再现的声压分布图案。利用这种声压分布图案可操控及组装粒子。声全息技术无需将换能器组装成阵列,大幅减少了组建系统所需的时间和设备,提高了粒子操控的复杂程度和精细度。基于全息原理的声场操控突破了原有声学系统的限制,为任意复杂形状的精细声场操控提供了解决方案,有望应用于无损检测、快速制造等领域。

  文章内容引用自专业教材,以便高分子科学工程、光学工程等领域的科技工作者作研究参考,未经本书原作者的许可,任何第三方不得复制或者转载本文内容。