《Light-Science & Applications》：High-efficiency multi-scale holographic volumetric 3D printing with a phase light modulator
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研究人员开发了一种基于相位光调制器（Phase Light Modulator, PLM）的全息体三维打印平台，用于光固化树脂的高效制造。传统断层体积增材制造（Tomographic Volumetric Additive Manufacturing, TVA
研究人员开发了一种基于相位光调制器（Phase Light Modulator, PLM）的全息体三维打印平台，用于光固化树脂的高效制造。传统断层体积增材制造（Tomographic Volumetric Additive Manufacturing, TVAM）通常采用数字微镜器件（Digital Micromirror Device, DMD）投射振幅光图案至旋转树脂中，通过光聚合形成三维结构，但其光投影效率通常低于百分之几。近期研究利用二进制振幅调制器结合Lee全息法实现TVAM中的相位编码，将轴向控制能力与光效率提升至约10%。本研究首次采用基于微机电活塞镜阵列的相位光调制器（PLM），相比振幅编码，其激光功率效率提高了70倍。研究人员将该高效光源与散斑抑制方法相结合，在全息体积增材制造（Holographic Volumetric Additive Manufacturing, HoloVAM）中实现了从数百微米到厘米级的多尺度三维结构打印，材料涵盖丙烯酸酯基树脂、软水凝胶以及含细胞浓度为每毫升一百万个的细胞负载水凝胶。显微计算机断层扫描（Micro-CT）显示最小正特征尺寸约为30.3?μm。此外，研究人员引入硫醇/降冰片烯明胶作为HoloVAM打印材料，可在仅使用150?mW激光二极管的情况下，于2分钟内完成最大达3?×?3?×?4?cm3的大尺寸结构打印。该研究为全息技术在低成本单模激光二极管驱动的体积增材制造中的应用开辟了新途径。
研究背景方面，体积增材制造（Volumetric Additive Manufacturing, VAM）是一种无需逐层堆积的先进制造技术，能够在光敏树脂中一次性固化整个三维物体。当前主流的VAM技术多依赖数字微镜器件（DMD）投射振幅图案，但由于光被反射或阻挡，能量利用率较低。虽然已有研究尝试利用Lee全息法在DMD上实现相位调制，但效率仍不足10%。与此同时，液晶空间光调制器（Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator, LCOS-SLM）虽可实现相位调制，却受限于刷新率、紫外稳定性差及偏振敏感性等问题。为解决这些瓶颈，研究人员首次将基于微机电系统（MEMS）技术的相位光调制器（PLM）应用于全息断层体积增材制造（HoloVAM）。PLM通过垂直位移微镜实现相位延迟，具有高填充因子、高速帧率和偏振不敏感等优势，有望显著提升光利用效率并拓展打印材料与应用范围。
关键技术方法方面，研究人员构建了基于405?nm单模激光二极管的HoloVAM光学系统，使用PLM替代传统DMD进行相位调制，并通过干涉法校准其16级相位响应。为提高打印保真度，采用基于Gerchberg-Saxton（GS）算法的计算全息图生成管道，并在傅里叶平面引入轴锥相位（axicon phase）以形成贝塞尔光束（Bessel beam）扩展焦深。为降低散斑噪声，研究人员设计了时间复用策略，将同一投影角度的多个偏移轴锥相位全息图序列投射，通过平均效应减少颗粒状干涉。实验中采用丙烯酸酯基树脂、明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶及硫醇/降冰片烯明胶（Gel-SH/NB）等多种材料进行多尺度打印验证。
研究结果部分，首先在光学配置与光效率方面，研究人员展示了PLM的光路设计，实验测得图案投影的绝对光效率约为24%，较传统振幅投影提高约70倍，较DMD相位编码提升两倍。其次，在全息投影计算管道中，研究人员通过轴锥相位与计算机生成全息图的卷积，成功将光束点扩散函数（Point Spread Function, PSF）由高斯型转换为贝塞尔型，显著扩展了成像焦深，使Radon变换的准直假设在小尺寸结构中得以成立。第三，在散斑评价与抑制方面，研究人员分析了散斑对比系数随位移距离的变化，发现当位移约为散斑粒径的一半时，对比系数最低可达0.33，有效提升了表面平滑度。第四，在多尺度打印中，研究人员实现了从毫米级到厘米级的多种结构打印，显微CT显示最小正特征尺寸为30.3?μm，且在含高浓度细胞的GelMA水凝胶中成功制造仿外分泌胰腺的多囊结构，细胞分布均匀且活性良好。第五，在大尺寸打印方面，使用Gel-SH/NB材料在150?mW激光功率下仅用2分钟完成3?×?3?×?4?cm3的人耳模型打印，相比传统TVAM所需数瓦光源显著降低了能耗。
在讨论部分，研究人员指出，PLM的应用显著提升了HoloVAM的能效与打印速度，同时贝塞尔光束的自愈特性使其能在散射介质中稳定工作，无需针对每个样本进行预校正。散斑抑制方法不仅改善了表面质量，还减少了分层风险。生物打印实验证明，该技术在细胞负载水凝胶中的适用性优于传统方法，且不影响细胞活性与组织结构。研究人员也承认，PLM仍存在相位量化误差与像素间电压响应的非均匀性，未来可结合机器学习与相机闭环优化进一步提升精度。总体而言，该研究为体积增材制造提供了一种高效、低功耗、多材料兼容的新平台，在生物医学工程、光学元件制造与大尺寸结构快速成型等领域具有重要应用前景。
研究结论翻译为：本研究首次将基于MEMS的高速相位光调制器（PLM）引入全息断层体积增材制造，实现了光效率提升70倍的突破，支持多尺度、多材料的快速打印，包括大尺寸结构和高浓度细胞负载水凝胶。通过轴锥相位扩展焦深与时间复用散斑抑制，显著提高了打印精度与表面质量。该方法在散射介质中具有优越的稳定性，为低成本单模激光驱动的体三维打印提供了可行路径，并为生物制造与功能器件加工开辟了新的技术方向。
