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光学工程
超快激光器应用在医疗制造中

第一代超快激光器使用掺钛蓝宝石作为激光有源材料,于20世纪90年代早期被商业化推出。 

1999年,诺贝尔化学奖被授予Ahmed Zewail教授,以表彰他在超短时间化学反应分析工作上取得的成就。在十年之内,从一种新技术发展到应用该技术且获得诺贝尔奖,这展示了超快激光器为科学领域带来的革命性变化。 

在这十年间,尽管当时的激光器 未能满足各种工业对它们在性能、成本、规格和可靠性方面的要求,但是超快激光器在新工业或医疗应用中的潜力已经显而易见。 

2000年左右,采用掺镱激光材料和电信级半导体的新一代二极管泵浦超快激光器 推向市场。这些紧凑型高功率、高度可靠性以及性价比高的超快激光源为快速扩展的市场拓展了工业应用。结果是,过去十年中,安装数量逐年翻番。 

如今,业界已能提供商业工业超快激光器,具有从飞秒到皮秒级的大范围脉宽,平均功率范围几十瓦,能够用于苛刻的工业和医疗环境。 

应用背景 

超快激光器 在极短时间内聚集脉冲能量,形成极高功率密度。紧凑型台式超快激光器提供的功率甚至可超越核电站。由于具有如此之高的功率,其激光可以加工几乎任何类型的材料,包括传统的、很难加工的材料,例如金属、陶瓷和玻璃。 

另外,由于脉宽极小,加工期间几乎不产生多余的热量,这种无热加工的效果和质量极佳。另外,在进行微机械加工时,不会产生熔化、开裂、汽化或者其它有害散热。 

超快激光器现被用于追求高质量加工效果的工业应用,例如: 

● 选择性融蚀,用于加工半导体、显示屏或光伏产业用的薄膜; 

● 无应力内雕,用于制药和奢侈品行业中的防伪应用; 

● 眼睛屈光手术,包括视力矫正和白内障手术; 

● 微电子工业的高质量微机械加工应用; 

● 医疗设备制造。 

医疗设备制造 

医疗设备是具有高附加值的产品,在质量方面要求严格,通常要求采用挑战性的工业制造工艺。基于这些原因,超快激光器在医疗设备制造领域获得大量应用。 

最著名的应用是支架制造。支架是一种由金属或聚合物制造而成的假体。它可用于扩张术,使得在血管或腔体狭窄或闭塞的情况下血液能够流入闭塞的动脉。激光切割支架的质量优良且功能多样,现今是支架及其辅助工具的主要制造工艺。 

典型的支架是采用激光束切割其框架的小型管道,因此管道的性能与弹簧相似,可以防止手术之后动脉收缩。取决于型号和制造商而定,支架的直径从1.2毫米至3.5毫米不等,壁厚为0.10毫米至0.25毫米。可以考虑三种不同的支架: 

● 采用金属、不锈钢(80%)或镍钛合金(即含有镍和钛金属的、可以记忆形状的合金,20%)制造的简单支架。 

● 金属支架加上某些活性物质,以防通道再次出现狭窄的情况。采用“几步洗脱”在支架上添加活性物质,以提高支架的耐用性。通过支架上的微型贮液囊或者涂层来执行洗脱。这些支架占据了每年实际支架手术的主要份额(大于75%)。 

● 最近出现的生物可吸收支架,一般采用PLLA(聚乳酸)聚合物制造。这些产品也可添加活性物质。使用时,支架缓慢降解并在动脉愈合之后逐渐融于血液之中,这一过程需要几个月或者多达一年或两年的时间。近来,生物可吸收聚合物支架已经通过CE认证,可在欧洲使用。 

由于生物可吸收支架采用聚合物制造,这种材料对于热效应极其敏感,采用长脉冲激光进行机加工时,不能保证足够好的质量,而且切割工艺会产生热量,因此需要采用超快激光加工工艺制造这些支架,以达到优质的制造效果。 

另一方面,如今采用长脉冲激光加工金属支架,脉宽通常为s或ns级别。 

激光切割技术的应用始于管道,仅仅是支架制造工艺中的一部分。其它工艺包括修边、机械延展和热处理、电抛光、消毒和杀菌以及包装。根据激光的用途,激光切割期间在管道内使用水流做湿切割。辅助气体也可以提高整体的切割质量。通常,切割宽度为10 至20 m,精确度为5 m,切割速度为5 mm/s。 

后期加工步骤占据着制造总成本中的大部分。由于超快激光器光束切割金属的质量优于长脉冲激光,因此,后期加工阶段成本大幅降低。 

制造总成本包括摊销激光器投资、激光器工作成本以及后期加工成本。超快激光器的投资成本一般高于其它技术。但是,它们的工作成本低,还可以大幅降低后期加工成本。另外,由于激光器功率和重复率持续改进,这将大幅增加加工产量。 

所有这些因素推动了超快激光器在支架制造中的应用大量增长,这种趋势在未来几年中还将继续。 

概括地说,医疗设备制造中工业工艺的日益发展,受益于超快激光器可实现高质量加工,包括激光切割脉管设备(阀门、神经支架);在导管或针上进行激光微钻孔;以及对可移植的生物相容元件做表面微处理。 

新兴应用 

新兴应用将逐渐找到其更为广泛的用武之地。例如,超快激光器的直接激光打印允许将活性细胞精确沉积到生物基板上,精确度高,细胞死亡率低,对于组织工程或重构有着令人兴奋的前景。 

超快激光器也用作微型超薄切片机,精确切除或切开组织或生物样本。这些技术目前正被延伸到纳米级,允许在细胞内开展纳米解剖。在其它领域,超快激光器正成为制造生物芯片的一种重要工具,这种生物芯片集成了机械、光学和微流体功能。欧盟赞助的Femtoprint项目(网址:www.femtoprint.eu)是一家多合作伙伴协作项目,旨在开发微型和纳米级打印机,以便能够使用先进的紧凑型超快激光器来制造微系统。 

结论和展望 

采用工业超快激光器,可以进行高质量加工,用于医疗设备制造等应用极其理想。动态科学与工业领域推动了新型工业应用日益发展。 

超快激光器技术的进一步发展将促使其平均功率更高、重复率更高以及尺寸更小,这意味着越来越多的新应用将具有经济竞争力,在未来的制造工艺中发挥重要的作用。


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