Setting up a process for two-photon laser lithography with a novel resin

Fused silica glass is a crucial material for high-tech engineering applications due to its peculiar properties, such as its optical transparency and its high thermal, chemical and mechanical resistance, which make it a key player in industrial sectors like photonics, optics, biology and chemistry. However, the high melting temperature and other characteristics of the material have consistently hindered its manufacturing capabilities. Many 3D printing approaches have been proposed in the last decades, based for example on extrusion of melted material from a nozzle, or on light-induced selective melting, all with several limitations and lack of accuracy, mainly because they are based on a layer-by-layer approach. The relatively recent advent of ultrafast light sources enabled the nonlinear two-photon lithography, which overcomes the layering structuring and provides high manufacturing resolution. The process is based on a photocurable silica nanocomposite to generate a light-shaped polymeric object, then turned into fused silica glass via heat treatments. In this project, carried out at Institut de Physique de Nice (France) under the supervision of Dr Dussardier and Dr Bellec within the framework of the Agence nationale de la recherche project « COP3D », an optical micromachining setup run by an infrared laser source (doubled to visible range by second harmonic generation) is used to test the two-photon lithography response of a non-commercial curable resin. Parametric tests are carried out to identify a range of parameters to proper generate polymerized objects together with different sample preparation protocols. Specific analyses were conducted regarding proximity effect and attempts to increase structures dimensioning. In addition, a preliminary simulation is performed to investigate the response of the structures regarding the post-treatment processes in order to sinter fused silica glass.

Il vetro di silice fusa è un materiale impiegato in applicazioni ingegneristiche altamente tecnologiche per via delle sue straordinarie proprietà, come la trasparenza ottica e l'elevata resistenza termica, chimica e meccanica, che lo rendono un attore chiave in settori industriali come la fotonica, l'ottica, la biologia e la chimica. Tuttavia, l'elevata temperatura di fusione e altre caratteristiche del materiale ancora ostacolano molti potenziali impieghi industriali. Negli ultimi decenni sono stati proposti molti approcci di stampa 3D, basati ad esempio sull'estrusione di materiale fuso da un ugello o sulla fusione selettiva indotta da luce, tutti con diverse limitazioni e mancanza di precisione, causate principalmente dal protocollo di fabbricazione strato per strato con cui operano. Il recente avvento di sorgenti luminose ultraveloci ha reso possibile la litografia non lineare a due fotoni, che supera la strutturazione a strati e garantisce una fabbricazione ad elevata risoluzione. Il processo si basa su un materiale nanocomposito contenente silice fotoinduribile usato al fine di generare tramite luce un oggetto polimerico, convertito poi in vetro di silice fusa tramite trattamenti termici. In questo progetto, realizzato presso l'Institut de Physique de Nice (Francia) sotto la supervisione del dottor Dussardier e del dottor Bellec nell'ambito del progetto Agence nationale de la recherche «COP3D», si utilizza una configurazione di microlavorazione ottica gestita da una sorgente laser a infrarossi (raddoppiata alla gamma visibile mediante generazione di seconda armonica) per testare la risposta alla litografia a due fotoni di una resina fotosensibile non commerciale. Sono eseguiti test sperimentali per identificare l'intervallo di parametri adatto per generare correttamente oggetti polimerizzati insieme a diversi protocolli di preparazione del campione. Sono condotte specifiche analisi riguardanti l'effetto di prossimità e tentativi di aumento di dimensionamento delle strutture. Inoltre, viene effettuata una prima simulazione per studiare la risposta delle strutture rispetto ai processi di post-trattamento al fine di sinterizzare vetro di silice fusa.