使用相位光调制器的高效多尺度全息体积三维打印

在一瞬光中打印物体

想象不用逐层堆叠，而是在一罐液态材料中一次性固化出详尽的三维物体。本文提出了一种实现该目标的新方法，利用精心塑形的光在数秒内“书写”复杂物体，尺寸从小于沙粒的微小部件到与人耳相当的构件皆可。研究阐明了一种新型光塑形芯片如何大幅提高效率，使得快速、精确的体积三维打印在工程、医学和生物制造领域更具实用性。

从分层打印到整体体积

传统三维打印机通常通过逐层构建物体，速度较慢且常留下可见的台阶痕迹。体积增材制造通过将光模式照射到光敏液体中来跳过分层，这样整个三维物体可以一次性固化。早期系统依赖可将微小镜像完全打开或关闭以投影亮度图案的器件。虽然有效，但这些“振幅”器件浪费了大部分入射光，因此除极小部件外，要打印其他东西通常需要强大且昂贵的光源。

塑形光的新方式

作者用一种新的“相位光调制器”取代了传统的微镜阵列，这是一种由活塞状微镜构成的微芯片，微镜上下移动以延迟光波而不是简单遮挡光。这种对相位的细微控制使得形成全息图成为可能：干涉图样在树脂内部重建完整的三维光场。在对每个微镜的16个相位等级进行精确标定后，团队展示了他们的相位系统将约24%的激光功率导入有用图案——比早期振幅设备高约70倍，而且比使用标准微镜芯片的旧式全息方法高约两倍的效率。

聚焦更锐利、噪点更平滑

为在整个树脂体积内打印细节，团队将基础光束焦点重塑为贝塞尔光束，这是一种在较长距离内保持锐利而不迅速发散的特殊光强模式。他们通过在全息图中加入虚拟锥透镜（axicon）图样来实现，使每个亮像素变成一根狭窄、自维持的光柱。然而，用相干激光产生的全息图往往带有散斑和颗粒感，会在打印件上留下粗糙的条纹或空隙。为此，研究人员生成了若干稍微错位的全息图版本并快速序列闪光，使树脂“看到”的只是平均值，从而显著平滑了强度分布。通过将错位大小与散斑颗粒相匹配，能够最小化不希望出现的颗粒感。

从微观尺度到人体大小的物体

借助更高效、更清洁的光场，系统在不同材料中打印了一系列测试物体。在一种商业丙烯酸树脂中，研究者将相同的数字设计放大和缩小，制作出螺旋形的意大利面（fusilli）、知名的斯坦福兔以及DNA双螺旋。微CT扫描显示，最小的正特征约为30微米厚，接近细人发宽度的一半。当采用散斑抑制方法时，这些打印件的表面明显更光滑。随后，团队转向软性水凝胶，包括模拟生物组织并载有活细胞的凝胶，展示了充满活体成纤维细胞的复杂多腔体形状。即便在这些浑浊、有散射的材料中，贝塞尔光束仍能较好地保持焦点以形成精确结构。最后他们展示了一款尺寸为3×3×4厘米的人耳模型，得益于效率提升和更易反应的明胶基树脂，仅用150毫瓦的二极管激光大约两分钟即可打印完成。

这对未来三维打印意味着什么

简而言之，这项工作表明更智能地控制光波在液体内部的弯折与干涉可以改造体积三维打印。通过由开关式镜像转向相位塑形芯片，并驯服颗粒状散斑图样，作者实现了更快的打印、更平滑的表面以及涵盖数十微米到整厘米级别的可靠特征。尽管像氧气这样的化学因素仍限制最微小的细节，但该方法为紧凑、节能的打印机铺平了道路，使其能够快速制造复杂部件、软性器件甚至活体组织模型，而无需依赖体积大、功率高的激光器。

引用: Álvarez-Castaño, M.I., Rizzo, R., Sgarminato, V. et al. High-efficiency multi-scale holographic volumetric 3D printing with a phase light modulator. Light Sci Appl 15, 241 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02331-4

关键词: 体积三维打印, 全息打印, 相位光调制器, 贝塞尔光束, 生物打印