2026年7月31日，波兰和意大利的研究人员开发了一种用于光固化成型的新型光响应材料，能够使3D 打印的部件动态地改变激光束的强度和偏振。这种材料包含偶氮苯基分子，当暴露于偏振可见光下时，取向会发生改变。这会产生瞬时折射率差异，即光致双折射。研究团队实现了高达 2.5 × 10⁻⁴ 的双折射值，并展示了超过 60,000 次开关循环的光学调制效果。
相关研究以题为“3D printed active opticalcomponents:
harnessing photo-responsive molecules for dynamic light
modulation”的论文发表于《先进复合材料与混合材料》期刊，汇集了来自弗罗茨瓦夫科技大学、意大利国家研究委员会纳米科学研究所、比萨高等师范学院和比萨大学的研究人员。
论文中的测试样件采用立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）技术制造。以往大多数光响应光学材料仅限于薄膜和其他平面结构。虽然这些系统能够响应光照而改变光学性质，但几何形状限制了它们在更复杂的光子结构中的应用。研究人员表示，3D 打印技术可以将这些光学功能从平面薄膜扩展到更复杂的组件几何形状中。
△在泵浦光束开启和关闭的不同时刻，拍摄了一系列透射输入光束光斑的照片。图像经过裁剪，来自 Szukalski 等人。
利用分子排列控制光
主要可打印材料是将分散红 1(DR1) 与 E-Shell 600 光固化树脂混合而成。DR1
是一种基于偶氮苯基的非线性光学分子，可以在稳定的直链反式构型和亚稳态的弯曲顺式构型之间切换。可见光驱动这两种构型之间的重复转变。在光照之前，DR1分子在固化树脂内部呈随机取向。因此，打印材料近似于光学各向同性，不会显著改变穿过它的激光的偏振态。偏振泵浦光束会改变这种排列方式。反复的分子开关操作会逐渐减少与泵浦偏振方向一致的分子数量，并增加垂直于泵浦偏振方向的分子数量。这会产生各向异性的分子结构，并导致材料在不同方向上的折射率存在差异。研究人员将打印材料置于两个轴线相互垂直的偏振片之间。在没有泵浦光束的情况下，637nm
的输入激光会被第二个偏振片阻挡。激活泵浦光束后，光束穿过材料时的偏振态发生改变，从而使光线能够到达探测器。关闭泵浦后，分子排列恢复正常，透射信号减弱。停止照明后，仍存在一些残余双折射。
△DLP 3D 打印 DR1A/BEDMA 分段磁盘。图像裁剪，来自 Szukalski 等人。
将固化与分子降解区分开来
光聚合过程中紫外线照射对光学响应有显著影响。暴露时间少于 0.5 分钟的样品产生的双折射值约为 5 ×
10⁻⁴。在紫外线照射 1 至 40 分钟期间，测得的双折射率保持在 2 ×
10⁻²。拉曼光谱显示，树脂在最初两分钟内转化率达到约50%。因此，最高的双折射率是在聚合物网络形成的早期阶段获得的，而不是在完全固化之后。
研究人员认为，这种正在形成的网络能够限制分子运动，从而维持光诱导的排列状态。然而，长时间的紫外线照射会导致DR1分子降解。与DR1相关的拉曼峰在暴露时间超过5分钟后出现展宽，这可能表明分子降解的开始。120分钟后，染料的最大吸光度已降至初始值的约60%。随着曝光时间的延长，DR1吸收率的下降限制了光学响应。固化和分子降解的速率并不相同，导致材料在较长的时间段内保持了较强的双折射特性。在这个剂量范围内，研究人员可以调整打印参数以适应不同的几何形状和分辨率，而不会大幅改变双折射。
打印空间可控光学响应
研究团队首先使用Sharebot Andromeda
SLA系统打印出均匀的圆盘。通过调制泵浦光束，可以改变穿过圆盘的激光强度。在调制频率高达约 50 Hz
时，动态双折射保持在最大值附近，然后在更高的频率下下降。使用 10 Hz 泵浦源测试的光盘在经过 60,000
次开关循环后仍能持续调制输入激光。在整个测试过程中，调制幅度相对于平均值变化了约 8%。研究人员随后打印了一个分段圆盘，包含四个象限，厚度范围从 420 到 600
微米不等。不同的厚度旨在产生空间变化的相位延迟，因为光学效应取决于光在光响应材料中传播的距离。420 µm 象限产生的相位偏移为13.3° ±
0.2°，而 520 µm 部分产生的相位偏移为 14.0° ± 0.2°。根据研究结果，这代表了通过打印厚度实现每微米 10⁻² 度的相位控制。
△SLA 3D 打印的四种厚度的分段圆盘。图片已裁剪，来自 Szukalski 等人。
DLP样品也采用嵌入双酚A乙氧基化二甲基丙烯酸酯基质中的DR1-丙烯酸酯衍生物制成。这些样品包括分段圆盘和包含透明区域和光响应区域的多材料结构。楔形元件进一步证明，透射强度随打印几何体的厚度而变化。
△具有透明 BEDMA 和红色光响应 DR1A/BEDMA 区域的多材料样品。图像已裁剪，来自 Szukalski 等人。
组件级光学控制
圆盘和楔形测试共同表明，光学响应可以通过泵浦光束和打印部件的厚度来控制。然而，这项研究仍停留在组件层面的演示阶段，并未验证完整的光学计算机、通信网络或增强现实系统。长期稳定性以及光聚合、光学性能和机械性能之间的关系仍有待评估。研究人员将这些领域列为未来工作的重点，同时还将研究后处理以及将其他光响应分子整合到光固化树脂中。在将这些材料用于实际的偏振光学器件或可重构光子器件之前，还需要进行进一步的测试。
△通过不同打印厚度的分段圆盘和楔形部件测量透射激光强度。图片来自 Szukalski 等人。
从光衰减到相位控制
这项研究拓展了NEST、比萨高等师范学院和比萨大学的研究人员此前关于DLP 3D打印光致变色聚合物的研究。这些材料可在彩色和透明状态之间可逆切换，使打印部件能够改变透光率、存储可重写图案并执行基本的算术和逻辑运算。Francesca D'Elia、Lorenzo Lavista、Andrea Camposeo和Dario Pisignano均参与了这两项研究。对3D打印光子学的广泛研究表明，光学透明度、机械强度、打印效率以及多功能光敏聚合物的有限可用性仍然是持续存在的挑战。本研究在现有打印光学功能的基础上，增加了动态双折射和多材料演示。
来源：南极熊
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