由于玻璃鱗片（亞毫米長(zhǎng)）的尺寸或它們的構(gòu)造，用傳統(tǒng)的玻璃加工技術(shù)很難甚至有時(shí)甚至不可能實(shí)現(xiàn)玻璃物體。玻璃基材料的增材制造可構(gòu)建具有定制性能和高分辨率的新型功能玻璃材料。此外，玻璃基材料由于其硬度、光學(xué)質(zhì)量、可負(fù)擔(dān)性和可用性而具有在增材制造領(lǐng)域提供特殊價(jià)值的潛力。在過去的幾年中，在開發(fā)創(chuàng)新的方法以印刷三維（3D）玻璃結(jié)構(gòu)方面取得了重大進(jìn)展。例如，為了克服玻璃材料的高熔化溫度和高粘度，已經(jīng)采用粘合劑噴射，選擇性激光熔化和玻璃粉燒結(jié)的方法。使用這種方法，燒結(jié)玻璃可能非常脆弱，并且由于不完全致密化而顯得不透明。直接印刷玻璃的方法需要高溫：對(duì)于熔融沉積成型方法，將鈉鈣玻璃加熱至1000°C左右；對(duì)于絲料進(jìn)給技術(shù)，使用手動(dòng)送絲方法，其中玻璃絲用激光熔化。在這兩個(gè)過程中，長(zhǎng)絲都可能容易受到熱應(yīng)力的影響，并且無(wú)法完全融合到所需的結(jié)構(gòu)中，從而形成具有高表面的粗糙結(jié)構(gòu)。

圖1. 打印和燒結(jié)石英玻璃的例子

然而，用當(dāng)前的3D打印技術(shù)構(gòu)建任意形狀的零件的常見方法是創(chuàng)建多個(gè)二維(2D)切片，然后將這些切片堆疊起來以形成3D對(duì)象。這種逐層工藝有許多限制:制造時(shí)間、機(jī)械各向異性特性、收縮、剪切應(yīng)力、恒定厚度層的可靠實(shí)施時(shí)間、需要為復(fù)雜零件創(chuàng)建支撐以及在后處理操作中消除它們等。這些缺點(diǎn)大多與逐層程序有關(guān)。然而，利用雙光子聚合技術(shù)可以直接產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)，聚合是通過同時(shí)吸收強(qiáng)激光輻射的兩個(gè)光子來激活的，僅在具有光敏引發(fā)劑的單體中的空間局部焦點(diǎn)內(nèi)以高激光強(qiáng)度發(fā)生。然后，利用熱塑性塑料技術(shù)，有可能在聚合物液體內(nèi)部聚合體積，這與傳統(tǒng)的基于單光子的工藝(例如立體平版印刷術(shù))相反)，其中聚合僅發(fā)生在液體表面或其附近。

▲圖2. 負(fù)載有二氧化硅納米粒子的混合物的雙光子聚合。515 nm激光束通過長(zhǎng)工作距離顯微鏡物鏡聚焦在混合物內(nèi)部；聚合發(fā)生在焦點(diǎn)處，如紅色箭頭所示。

研究人員所開發(fā)的3D打印激光系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。激光源是商業(yè)飛秒二極管泵浦的amplified放大激光，工作頻率為1030 nm，重復(fù)頻率為1 kHz。在該實(shí)驗(yàn)中，通過在非線性晶體中產(chǎn)生二次諧波可獲得515 nm脈沖。平均激光功率由與半波片組合的偏振器控制。激光束穿過光學(xué)器件以使光束在透明罐容納的制劑內(nèi)部成形。

▲圖3. 3D打印系統(tǒng)配置。（a）實(shí)驗(yàn)安排示意圖；（b）在實(shí)驗(yàn)裝置上3D打印玻璃制成的復(fù)雜零件。

3D打印方法基于多光子聚合，可確保聚合(將液態(tài)單體分子連接在一起成為固態(tài)聚合物的過程)僅在精確的激光焦點(diǎn)處進(jìn)行。它可以直接制造尺寸從幾微米到幾十厘米不等的3D零件，其分辨率理論上僅受用于激光束整形的光學(xué)器件的限制。

本文通訊作者Gallais表示，玻璃是用于制造光學(xué)器件的主要材料之一。他們的工作是朝著開發(fā)一種工藝邁出的第一步，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，該新方法可能對(duì)于制造用于視覺，成像，照明或基于激光的應(yīng)用的復(fù)雜光學(xué)器件很有用。這一工藝可能有一天使科學(xué)家能夠3D打印所需的光學(xué)組件。