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光學工程
超快激光器應用在醫療制造中

第一代超快激光器使用摻鈦藍寶石作為激光有源材料,于20世紀90年代早期被商業化推出。 

1999年,諾貝爾化學獎被授予Ahmed Zewail教授,以表彰他在超短時間化學反應分析工作上取得的成就。在十年之內,從一種新技術發展到應用該技術且獲得諾貝爾獎,這展示了超快激光器為科學領域帶來的革命性變化。 

在這十年間,盡管當時的激光器 未能滿足各種工業對它們在性能、成本、規格和可靠性方面的要求,但是超快激光器在新工業或醫療應用中的潛力已經顯而易見。 

2000年左右,采用摻鐿激光材料和電信級半導體的新一代二極管泵浦超快激光器 推向市場。這些緊湊型高功率、高度可靠性以及性價比高的超快激光源為快速擴展的市場拓展了工業應用。結果是,過去十年中,安裝數量逐年翻番。 

如今,業界已能提供商業工業超快激光器,具有從飛秒到皮秒級的大范圍脈寬,平均功率范圍幾十瓦,能夠用于苛刻的工業和醫療環境。 

應用背景 

超快激光器 在極短時間內聚集脈沖能量,形成極高功率密度。緊湊型臺式超快激光器提供的功率甚至可超越核電站。由于具有如此之高的功率,其激光可以加工幾乎任何類型的材料,包括傳統的、很難加工的材料,例如金屬、陶瓷和玻璃。 

另外,由于脈寬極小,加工期間幾乎不產生多余的熱量,這種無熱加工的效果和質量極佳。另外,在進行微機械加工時,不會產生熔化、開裂、汽化或者其它有害散熱。 

超快激光器現被用于追求高質量加工效果的工業應用,例如: 

● 選擇性融蝕,用于加工半導體、顯示屏或光伏產業用的薄膜; 

● 無應力內雕,用于制藥和奢侈品行業中的防偽應用; 

● 眼睛屈光手術,包括視力矯正和白內障手術; 

● 微電子工業的高質量微機械加工應用; 

● 醫療設備制造。 

醫療設備制造 

醫療設備是具有高附加值的產品,在質量方面要求嚴格,通常要求采用挑戰性的工業制造工藝。基于這些原因,超快激光器在醫療設備制造領域獲得大量應用。 

最著名的應用是支架制造。支架是一種由金屬或聚合物制造而成的假體。它可用于擴張術,使得在血管或腔體狹窄或閉塞的情況下血液能夠流入閉塞的動脈。激光切割支架的質量優良且功能多樣,現今是支架及其輔助工具的主要制造工藝。 

典型的支架是采用激光束切割其框架的小型管道,因此管道的性能與彈簧相似,可以防止手術之后動脈收縮。取決于型號和制造商而定,支架的直徑從1.2毫米至3.5毫米不等,壁厚為0.10毫米至0.25毫米。可以考慮三種不同的支架: 

● 采用金屬、不銹鋼(80%)或鎳鈦合金(即含有鎳和鈦金屬的、可以記憶形狀的合金,20%)制造的簡單支架。 

● 金屬支架加上某些活性物質,以防通道再次出現狹窄的情況。采用“幾步洗脫”在支架上添加活性物質,以提高支架的耐用性。通過支架上的微型貯液囊或者涂層來執行洗脫。這些支架占據了每年實際支架手術的主要份額(大于75%)。 

● 最近出現的生物可吸收支架,一般采用PLLA(聚乳酸)聚合物制造。這些產品也可添加活性物質。使用時,支架緩慢降解并在動脈愈合之后逐漸融于血液之中,這一過程需要幾個月或者多達一年或兩年的時間。近來,生物可吸收聚合物支架已經通過CE認證,可在歐洲使用。 

由于生物可吸收支架采用聚合物制造,這種材料對于熱效應極其敏感,采用長脈沖激光進行機加工時,不能保證足夠好的質量,而且切割工藝會產生熱量,因此需要采用超快激光加工工藝制造這些支架,以達到優質的制造效果。 

另一方面,如今采用長脈沖激光加工金屬支架,脈寬通常為s或ns級別。 

激光切割技術的應用始于管道,僅僅是支架制造工藝中的一部分。其它工藝包括修邊、機械延展和熱處理、電拋光、消毒和殺菌以及包裝。根據激光的用途,激光切割期間在管道內使用水流做濕切割。輔助氣體也可以提高整體的切割質量。通常,切割寬度為10 至20 m,精確度為5 m,切割速度為5 mm/s。 

后期加工步驟占據著制造總成本中的大部分。由于超快激光器光束切割金屬的質量優于長脈沖激光,因此,后期加工階段成本大幅降低。 

制造總成本包括攤銷激光器投資、激光器工作成本以及后期加工成本。超快激光器的投資成本一般高于其它技術。但是,它們的工作成本低,還可以大幅降低后期加工成本。另外,由于激光器功率和重復率持續改進,這將大幅增加加工產量。 

所有這些因素推動了超快激光器在支架制造中的應用大量增長,這種趨勢在未來幾年中還將繼續。 

概括地說,醫療設備制造中工業工藝的日益發展,受益于超快激光器可實現高質量加工,包括激光切割脈管設備(閥門、神經支架);在導管或針上進行激光微鉆孔;以及對可移植的生物相容元件做表面微處理。 

新興應用 

新興應用將逐漸找到其更為廣泛的用武之地。例如,超快激光器的直接激光打印允許將活性細胞精確沉積到生物基板上,精確度高,細胞死亡率低,對于組織工程或重構有著令人興奮的前景。 

超快激光器也用作微型超薄切片機,精確切除或切開組織或生物樣本。這些技術目前正被延伸到納米級,允許在細胞內開展納米解剖。在其它領域,超快激光器正成為制造生物芯片的一種重要工具,這種生物芯片集成了機械、光學和微流體功能。歐盟贊助的Femtoprint項目(網址:www.femtoprint.eu)是一家多合作伙伴協作項目,旨在開發微型和納米級打印機,以便能夠使用先進的緊湊型超快激光器來制造微系統。 

結論和展望 

采用工業超快激光器,可以進行高質量加工,用于醫療設備制造等應用極其理想。動態科學與工業領域推動了新型工業應用日益發展。 

超快激光器技術的進一步發展將促使其平均功率更高、重復率更高以及尺寸更小,這意味著越來越多的新應用將具有經濟競爭力,在未來的制造工藝中發揮重要的作用。


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