納米級的雙光子3D打印技術，背后竟有這么多故事(3)
時間：2019-02-18 11:58 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
雙光子吸收
正當一籌莫展之時，一位德國女博士Maria Goeppert-Mayer也許是為了正常畢業，從純理論的角度推導出了她的博士論文：“在特定條件下，雙光子吸收是可能發生的！”
『發現雙光子吸收理論的Maria Goeppert-Mayer』
她的理論主要是講：正常情況下，電子一次只能吸收一個光子，要從基態(Ground state)跳到激發態(Excited state)。
就像是跳高一樣，他只能跳一次，力量大就跳出去了，力量小就跳不過去，因為世界上沒有人會二段跳�。�
她繼續說，但是依據量子理論推導，如果光足夠強，強到閃瞎你的眼；時間足夠短，短到你根本看不見，就可以憑空產生一個虛擬態(Virtual state)，幫助他實現二段跳！
你要問，二段跳不合情理啊，反正眼都閃瞎了時間也短，看不見就裝不知道吧。
『二段跳的雙光子吸收』
所謂的“特定條件”需要多強的光呢？強到在當時的理論框架下，人類根本實現不了！
如果我是在場的答辯博導，我肯定會問一個問題：“So，您的博士論文就是發現了一個無法驗證的現象？”
好在我并不在場，當時的真正博導們水平也不錯，檢查了一下推導沒問題，也就授予她博士學位了。
直到1961年，在Maria Goeppert-Mayer從青春少女行將暮年的時候，在人類開始應用激光的時候，她的理論才被實驗驗證。
『暮年Maria Goeppert-Mayer』
物理就是這么殘酷，人的生命在她面前微不足道。
但物理又是那么溫暖，她讓Maria Goeppert-Mayer從蕓蕓眾生中脫穎而出，給平凡的一生賦予了不平凡的意義！
用雙光子吸收來“掏洞”
雙光子吸收有什么意義呢？它的意義就在于，可以突破朗伯一比爾定律(Lambert-Beer law)的束縛，將吸收效應從負指數規律削弱為倒數規律：
公式不直觀，定性地做個圖看看，可以發現：倒數規律的吸收效應比負指數要小很多(紅色線)，根本不是聚焦效應的對手(藍色線)。
所以二者疊加的最終結果是：光強先下降，然后迅速上升，很快聚焦效應就主宰了吸收效應。
『雙光子吸收 注意：與單光子吸收的橫坐標軸標度不同』
如此一來，就可以利用雙光子吸收效應來“掏洞”了！直到2001年，文首提到的Kawata教授以及孫洪波教授的納米牛，才將夢想變成了現實。此時，貢獻理論的赫茲、愛因斯坦、Maria Goeppert-Mayer早已過世了！
讓我們再縷一下時間線，這是一段工程、實驗與理論交織推動的歷史：
· 1729年，朗伯一比爾定律。
· 1887年，赫茲發現光電效應。
· 1905年，愛因斯坦從量子的觀點，正確解釋光電效應。
· 1921年，愛因斯坦獲諾貝爾獎，他的貢獻推動了量子理論的成熟。依據量子理論，單光子吸收必須遵循朗伯一比爾定律。
· 1931年，Maria Goeppert-Mayer純從量子理論推導出“雙光子吸收”的可能性。
· 1961年，在激光應用之后，雙光子吸收理論得到實驗驗證。此后，非線性光學與量子光學蓬勃發展。
· 2001年，Kawata教授以及孫洪波教授利用雙光子吸收效應，成功實現了“雙光子3D打印”，也是唯一一種“掏洞型”3D打印。
雙光子3D打印技術的現狀
例如，用雙光子3D打印技術制作的超微透鏡，直徑只有100微米左右。這也是Nature上的一篇論文(Nature上的東西都好有意思啊！)
『圖片來源：文獻[4]』
這種鏡片，是別的技術完全做不了的。我本人也做過SLA打印的鏡片，透鏡效果還不錯，但直徑最小也得6毫米，也就是6000微米，比雙光子打印精度低了60倍！
『單光子吸收的SLA打印，直徑6000微米』
除了這種實用價值比較強的，也有比較好玩的，比如下面有人打印了一個最小的泰姬陵：
這個領域領先的都是發達國家。國內也有一家新銳的3D打印公司，做得也不錯。為了避免廣告嫌疑，就不說名字了。
總結
本人雖從事3D打印行業，但是學機電工程出身，所以對于非線性光學、量子光學、光聚合反應等領域缺乏基礎知識。因此文中知識大部分是自學，可能有科學上的錯誤，若您發現，不吝賜教，感激不盡！
最后，成文過程中受 @看風景的蝸牛君 指教頗多，表示特別的感謝！
(責任編輯：admin)
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