相位光調(diào)制器，把全息體積3D打印效率推高70倍

AM易道分享

體積3D打印這條路，行業(yè)盯了好幾年。

原理足夠誘人，不分層、幾秒成型、表面沒有臺階紋，聽上去就是沖著顛覆傳統(tǒng)逐層打印去的。

可它一直沒真正跑起來，卡點不在快慢，在光。

過去做體積打印靠的是DMD芯片，就是投影儀、電影院放映機里那塊數(shù)字微鏡。

它靠幾百萬個小鏡子各自開關(guān)來畫圖案，專業(yè)叫振幅調(diào)制。

問題是，遮擋就意味著浪費，光效率只有百分之零點三四。

一百份激光打進去，不到半份真正固化了樹脂，剩下全被關(guān)著的鏡子扔了。

這就是為什么過去要做1立方厘米的件，得搬出6瓦的大激光器，系統(tǒng)又貴門檻又高。

洛桑聯(lián)邦理工這次換了一塊芯片，德州儀器的相位光調(diào)制器，簡稱PLM。

就這一換，把光效率從百分之零點三四做到了約百分之二十四，整整70倍。

發(fā)在《Light: Science & Applications》上的這篇論文，標題很學術(shù)，干的卻是一件很實在的事，把卡了體積打印多年的那個光效率瓶頸，撬開了。

明膠硫醇/降冰片烯材料打印的真人尺寸人耳，2分12秒完成，只用了150毫瓦激光，相當于一支激光筆的功率.

先搞清楚，體積打印到底快在哪

開頭已經(jīng)把卡點點出來了，這里把體積打印本身講清楚。

我們熟悉的3D打印，不管是FDM還是光固化SLA，本質(zhì)都是一層一層往上堆。

體積打印不分層。

把一管液態(tài)光敏樹脂轉(zhuǎn)起來，從各個角度往里投射光的圖案，光在某些地方累積夠了能量，整個物體就在液體里一次性凝固出來，有點像CT掃描反著做。

這個原理2019年就有人驗證過，快得驚人，幾秒鐘一個件，而且因為不分層，表面不會有那種臺階紋。

聽起來很美。

問題就出在投影，這一環(huán)而投影的核心，是那塊往料管里送圖案的芯片。

下圖是整套全息體積打印裝置的光學結(jié)構(gòu)，405納米激光經(jīng)PLM調(diào)制后通過傅里葉透鏡投進轉(zhuǎn)動的料管，料管浸在折射率匹配液里以消除柱面畸變

換一塊會上下動的鏡子

DMD的毛病前面說了，遮擋浪費光，效率壓在百分之一以下。

后來有人讓它配合全息算法，假裝調(diào)制光的相位而非亮度，效率提到百分之十左右，這是團隊2025年發(fā)在《Nature Communications》上的工作。

這次的突破是直接換芯片。

PLM和DMD的區(qū)別就在鏡子怎么動，DMD的鏡子是翻的，只有開關(guān)兩態(tài)；

PLM的鏡子像一排活塞，能停在16個不同高度，升降之間改變反射光走的路程，相位就跟著變。

下圖是單個PLM像素結(jié)構(gòu)，微鏡靠下方電極的靜電吸引上下移動，從而改變反射光相位

差別看著小，意義全在這。

調(diào)相位不擋光，光全用上了，只是被重新安排了去向。

團隊第一次把PLM裝進體積打印系統(tǒng)，實測絕對光效率約百分之二十四，對比DMD振幅投影的百分之零點三四，正好70倍。

下面這張圖比較關(guān)鍵：從左到右是DMD振幅投影、DMD全息投影、PLM全息投影，三者實測光效率分別約0.34%、9.71%、23.78%

論文里那個反復出現(xiàn)的70倍需要澄清，指的是激光功率效率提升了70倍，不是說打印速度快了70倍。

效率上去，整個系統(tǒng)天花板更高了。

最直接的好處是光源能用便宜的。

過去要6瓦的大激光器，現(xiàn)在一支單模的405納米激光二極管就夠用。

論文里那些打印件，多數(shù)只用了18到55毫瓦的輸出功率。

一個4毫米高的螺旋面32秒打完，用18毫瓦；

一個8毫米的斯坦福兔子61秒，用50毫瓦；

連DNA雙螺旋上最細的橫桿，都做到了30.3微米。

全息打印的老毛病，用【抖】解決

全息投影有個躲不掉的毛病，叫散斑。

你拿激光筆照墻，會看到那種閃爍的顆粒感，亮一塊暗一塊，那就是散斑，是相干光自己干涉出來的。

放進打印里它很討厭，會讓物體表面變粗糙、起顆粒，更麻煩的是亮斑之間的暗縫會讓固化不連續(xù)，打出來的東西容易起絲、分層、整片脫落。

團隊處理散斑的辦法，說穿了就是一個字，抖。

他們給每個投影角度準備最多9張全息圖，每一張都把圖案在橫向上挪一點點，挪動的距離大約是散斑顆粒的一半。

這9張圖快速輪流播放，這一張的亮斑剛好落在那一張的暗斑上，平均下來，顆粒感就被抹平了。

這個方法和一些激光投影儀的處理方法類似。

下圖是說9個不同頂點偏移的軸棱錐相位，時間復用后讓散斑的峰谷相互抵消 來源

打出來的DNA雙螺旋，開了散斑抑制和沒開的，光滑程度肉眼可見地不一樣。

光會抖之外，還有一件更要緊的事，是光束的形狀。

普通的高斯光束有個死結(jié)，聚焦得越緊，能保持聚焦的距離就越短。

在他們11毫米直徑的料管里，高斯光束最多只能打出大于54微米的特征。

想穿透整個料管還保持細，就得換光束。

他們用全息的方法把光整形成貝塞爾光束，一種中間是亮點、外面套著光環(huán)的特殊光束，能在很長一段距離里保持不發(fā)散。

上圖通過軸棱錐相位生成貝塞爾光束，相比高斯光束，沿傳播方向保持聚焦的距離大大延長

貝塞爾光束還有個本事叫自愈，光路上碰到障礙物，它能在后面重新合攏。

聽起來只是個有趣的物理現(xiàn)象，到了打活細胞的場景，這個本事變成了核心優(yōu)勢。

體積3D打印目前的攻堅戰(zhàn)場，是打活的東西

往樹脂里摻活細胞，麻煩在于細胞會散射光。

光一散，圖案就糊，打出來的結(jié)構(gòu)跟著走樣。

過去全息體積打印做這件事，細胞濃度上不去，結(jié)構(gòu)也做不大。

這次他們用每毫升100萬個細胞的濃度，打出了模擬胰腺外分泌單元的多腺泡結(jié)構(gòu)，體積比之前大了約8倍。

打完養(yǎng)了6天，里頭的人成纖維細胞活著，還在腔體周圍長成了網(wǎng)絡(luò)。

貝塞爾光束的自愈能力在這里幫了大忙。

它能扛住細胞造成的散射，所以打這種散射介質(zhì)時，不需要像傳統(tǒng)方法那樣對每個樣品單獨做光路補償和標定。

這一步省下來，對將來真做臨床級別的組織打印，是實打?qū)嵉墓こ虄r值。

下圖是含人成纖維細胞的水凝膠打印的多腺泡結(jié)構(gòu)，藍色為細胞核，綠色為細胞骨架，打印6天后細胞已形成網(wǎng)絡(luò)

前文提到的打印的耳朵。

它用的是另一種材料，明膠硫醇/降冰片烯，比常用的GelMA反應(yīng)快得多，對氧氣也不那么敏感，所以結(jié)構(gòu)更清晰。

同一只耳朵換成商用丙烯酸酯樹脂打，慢一些，7分45秒；縮到一半尺寸，5分鐘。

做個對比，之前用螺旋TVAM方法打同樣的耳朵，光源要1.8瓦，時間要10分鐘。

3D體積打印一直被兩樣東西卡著脖子。
一是光效率太低，設(shè)備貴、門檻高，能玩的人就少；
二是打活細胞這種散射介質(zhì)時圖案會糊，做不大也做不準。
本文這塊PLM調(diào)制器加上貝塞爾光束、散斑抑制兩個配套手段，試圖解決這兩個問題。
光源從6瓦降到150毫瓦，意味著整套系統(tǒng)的成本結(jié)構(gòu)可能被重新改寫。

AM易道的判斷是，這個學術(shù)成果短期內(nèi)不會變成量產(chǎn)3D打印設(shè)備。

我們持續(xù)關(guān)注體積3D打印是因為，它真正反常識的地方，是把【層】這個概念整個拿掉了。

一旦體積打印這條線真的跑通，它要重新定義的不是某一類零件怎么做，而是3D打印這四個字本身還該不該和層邏輯綁在一起。

來源標注

• 原始論文：álvarez-Casta?o, M.I. et al. High-efficiency multi-scale holographic volumetric 3D printing with a phase light modulator. Light: Science & Applications (2026) 15:241. DOI: 10.1038/s41377-026-02331-4

• 文中技術(shù)參數(shù)、打印時間、材料、細胞實驗數(shù)據(jù)均來自論文正文及配圖

本文是AM易道對論文的解讀和轉(zhuǎn)述，帶有大量主觀判斷、內(nèi)容取舍和添加行業(yè)視角，原項目信息密度大、專業(yè)細節(jié)多，如果您是相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)讀者，強烈建議直接訪問，本文的內(nèi)容可能與原作者的嚴謹表述存在部分差異。