Light | 基于相位光调制器的高效多尺度全息体式3D打印技术
在3D打印技术持续向高效率、高精度发展背景下，如何突破传统逐层制造在打印速度与成型尺度上的限制，成为该领域的核心研究方向。近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队提出一种基于相位光调制器（Phase Light Modulator, PLM）的全息体式3D打印技术，实现了从微米到厘米级跨尺度快速打印，为高效率、多尺度三维打印提供了全新解决方案。
该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“High-Efficiency Multi-Scale Holographic Volumetric 3D Printing with a Phase Light Modulator”。洛桑联邦理工学院的Maria Isabel Álvarez-Castaño为论文第一作者，Christophe Moser为通讯作者。
研究背景
3D打印技术近年来在组织工程、光学器件、先进制造等领域取得显著进展，但传统逐层堆叠的打印方式在效率和结构连续性方面仍存在明显局限。为解决这一问题，体积增材制造（Volumetric Additive Manufacturing, VAM）被提出，通过在材料体积内同步光固化，实现显著的速度提升。其中，断层体式增材制造（Tomographic Volumetric Additive Manufacturing，TVAM）通过向旋转树脂中投影光场实现3D结构重建，成为该方向的代表性技术。
然而，当前主流VAM系统大多依赖数字微镜器件（DMD）进行振幅调制，这类器件在光利用效率方面存在先天不足，严重限制了系统性能的进一步提升。尽管已有研究尝试通过全息方法引入相位编码提升效率，但仍基于二值振幅调制，效率提升有限。此外，传统液晶空间光调制器（LCOS SLM）在响应速度和稳定性方面也存在瓶颈。因此，开发兼具高效率、高速度与稳定性的纯相位调制方案，成为推动体3D打印技术发展的关键。
创新研究
针对上述挑战，研究团队首次将基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术的相位光调制器（PLM）引入全息体积3D打印系统，搭建出新型高效率全息体式增材制造平台。该系统通过微镜垂直活塞式位移，实现对光波前的相位调制，有效避免了振幅调制带来的能量损耗，显著提升光利用效率。实验结果表明，相比传统振幅调制方法，该系统的光效率提升约70倍；相较于已有的基于DMD的相位编码方案，效率进一步优化。
在光场调控方面，团队提出全新的全息计算流程：将计算全息图（CGH）与轴锥相位（Axicon Phase）叠加，生成焦深大幅扩展的贝塞尔光束（Bessel Beam）。该方法突破传统高斯光束在焦深方向上的限制，使得光场在传播方向上更均匀，提高3D打印的结构一致性。同时，针对全息成像中经典的散斑噪声问题，研究引入基于时间复用的多相位偏移策略：通过多幅全息图的时序叠加，显著降低散斑对打印质量的影响，使打印结构表面更加平滑。
基于上述技术，系统实现了多尺度、多材料兼容的3D打印能力。打印尺度方面，从微米尺度的精细结构到厘米尺度的大尺寸模型，系统均可通过数字缩放实现快速制造；材料方面，系统不仅适用于传统丙烯酸树脂，还成功应用于软水凝胶以及含高浓度细胞负载生物材料；性能方面，仅用150 mW激光功率，即可在数分钟内完成厘米级结构的快速打印，显著优于传统依赖高功率光源的体积打印系统。
图1：光学结构与光效率。a. 使用相位光调制器（PLM）作为空间光调制器的全息VAM 光学系统示意图。来自单模光纤（SMF）耦合的激光二极管的蓝光经非球面准直透镜（CL）准直后入射至PLM。在PLM之后放置傅里叶透镜（L1），其焦平面处设置空间滤波器（SF）以去除不需要的衍射级次。通过4-f系统（L2 和 L3）将傅里叶平面共轭至打印平面（CP*），该平面即为实际打印区域。玻璃瓶（GV）作为样品容器，由旋转台（RS）固定并带动旋转。为减小圆柱形玻璃瓶壁引入的光学畸变，系统中加入折射率匹配浴（index matching bath, IMB）。b. PLM中，微镜阵列垂直活塞式位移，从而实现相位延迟调制的示意图。c. 光效率对比结果。
图2：辅助PLM打印的全息计算方案。a. 利用轴锥（axicon）生成贝塞尔光束的工作原理示意图。i）展示了焦平面（傅里叶平面）中的环形强度分布，这是轴锥光束的典型特征。上方给出了轴向强度传播分布，其中轴锥区域在近场约2.5 mm之后开始显现。b. 全息投影H(u,v)的计算流程。首先利用Gerchberg–Saxton（GS）算法，以断层振幅投影为目标强度计算得到计算生成全息图（CGH）h(u,v)，随后与轴锥相位ϕAx(u,v)进行卷积。i）傅里叶平面中齿轮图样的强度重建；ii）轴锥沿传播方向的强度分布；iii）–iv）展示当齿轮相位与轴锥相位卷积后，信息在空间中展宽的三维渲染及其截面图。c. 齿轮结构的单个全息投影强度重建仿真。上栏：采用贝塞尔点扩散函数（PSF）；下栏：采用未修正的高斯点扩散函数。
图3：散斑噪声抑制技术的评估。a. 测得的散斑对比度系数随全息图横向位移变化的关系。误差棒表示标准差。b. 散斑对比度系数随显示全息图数量 Np变化的理论结果。c. 当轴锥相位采用9种不同横向偏移时，齿轮结构在像平面中产生横向位移，其累积强度重建示例。
图4：基于PLM的全息体积增材制造中，采用巯基/降冰片烯明胶（Gelatin Thiol/Norbornene）打印的大尺寸三维结构示例。a. 人耳的三维模型。b. (i) 后处理后打印样品的二维拼接照片；(ii) 后处理后打印样品的照片；(iii) 使用巯基/降冰片烯明胶树脂打印的人耳模型样品，浸泡于磷酸盐缓冲溶液（PBS）中。该人耳模型的打印时间为2分12秒，所用激光输出功率为150 mW。
总结与展望
该研究提出了一种基于相位光调制器的全息体式3D打印技术，在光效率、打印速度、结构尺度方面实现了重要突破。通过引入高效相位调制机制与优化的全息计算方法，团队成功实现了低功率光源条件下的高性能打印，并验证了该技术在复杂结构制造与生物打印中的广泛适用性。该工作为高效率全息体积制造提供了关键技术支撑，有望推动三维打印技术在先进制造与生物工程等领域的进一步发展。
论文信息
Álvarez-Castaño, M.I., Rizzo, R., Sgarminato, V. et al. High-efficiency multi-scale holographic volumetric 3D printing with a phase light modulator. Light Sci Appl 15, 241 (2026).
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