超快激光技術的發展與醫療領域的應用
技術背景 脈沖寬度在飛秒和皮秒領域的工業超快激光器,正迅速大量用于許多工業和醫療應用。其在超短脈沖寬度內能夠聚焦超高光強度的能力,給它們在微加工應用上帶來了極大的優勢: 超快激光在極短的時間集中脈沖能量,產生了非常高的光功率。從緊湊的桌面超快激光得到的功率可超過核電廠。因為這么高的功率,激光燒蝕可適用在幾乎任何類型的材料,包括傳統上較難加工的材料(金屬、陶瓷、玻璃…) 另外,由于極短脈沖寬度,在相互作用過程中幾乎不產生熱量損耗,實現了幾乎無熱燒蝕。因此是一個質量非常高的過程:微加工發生的同時不會熔化、破裂、汽化或產生任何其它有害的影響。 早在1995年,人們就發現了超快激光在微加工應用的潛力,例如德國的漢諾威激光中心。然而在當時,可用的激光器體積很大,科學儀器很笨重,不適合工業應用。 |
![]() 最初由幾個先驅創業公司開發,后來越來越多的廠商也加入開發,超快激光器現在已經演變成一種強大的工業加工工具;在過去的10年中,商用超快激光器的平均功率增加了一百倍,今天達到數十瓦甚至上100瓦。最近實驗室的發展重點已經瞄準了千瓦級超快激光器。 |
經濟實惠背景 功率上的增加,可靠性和制造工藝的進步已經使這項技術迅速成熟。 超快激光器目前被應用于不同的領域: 一在半導體、顯示器和光伏產業的薄膜上的選擇性燒蝕: 一在制藥和奢侈品行業的防偽應用進行無壓力的內部雕刻: 一眼屈光手術,包括視力矯正和白內障手術: 一在微電子工業中高品質微加工應用: 一工業過程控制和分析化學: 一醫療設備制造。
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使新應用開發成為可能的一個重要因素是最新一代超快激光器的工業生產。為了超快激光技術在特定應用中被采用.需要滿足兩個主要標準; (一)超快激光加工的質量水平必須足夠高,以證明初始投資價值還是比傳統激光器更高。 (二)工業生產必須保證用戶有充足的投資回報率。 投資回報率取決于以下幾個因素:初始投資成本,每單位時間生產釣零部件數量和總工藝成本。 初始投資成本,以xx美元/每瓦來算,在過去10年已經減少了近兩個數量級,這意味著.對于相同的預算,今天可用到50至100倍的功率。這種額外的功率直接轉換成加工速度,因此提高了工業生產率并降低制造成本。 此外,高加工質量通常通過超快激光器實現,并因此取得更低的總加工成本,我們將在后面醫療器械制造行業的例子中看到。 |
支架制造
支架是一個由激光加工的小金屬管,像一根彈簧以避免動脈收縮。根據不同型號和制造商其直徑范圍從1.2至3.5nm不等,支架的壁厚從0.10到0.25m不等。我們可以考慮三種不同類型的支架: 由于生物可吸收支架是由聚合物制成,它對熱效應非常敏感,它們不能被長脈沖激光器進行高質量的加工,其中燒蝕加工是一個熱性質過程,因此需要一個超快激光器帶來高效率、高質量的制造。 |
另一方面,金屬支架目前是由長脈沖激光器加工的(通常是μs或ns脈沖寬度)。制造工藝包括激光切割、還包括后續加工(去毛刺、后拋光、清洗…)。后續處理占了總制造成本的重要部分。由于超快激光器可以完成比長脈沖激光更高質量的金屬切割.在后續處理階段成本已顯著降低。 |
防偽
然而,醫藥行業對激光技術的防偽目的也有具體要求: 激光打標已經滲透到了廣泛的行業,是當今用于追溯跟蹤和產品標識市場的重要技術,包括汽車、微電子、半導體、光伏、醫藥、包裝等行業。
超快激光器是當今唯一能夠滿足所有這些要求的技術:噴墨印刷與射頻識別(RFID)是容易被篡改的,并沒有解決初級包裝.納秒激光器會產生微裂紋,這是終端產品不能接受的。
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近期的工業級超快激光器的最新發展使內部打標成為可能,且不會對容器造成任何損壞。由于超快激光器輸出非常高的光強度和非常短的脈沖寬度,在相互作用過程中幾乎沒有散熱過程,這意味著不存在微裂紋形成的可能。由于各個點可做得非常小,也可以實現幾乎不可見標記,并保證其在適當照明下可讀出來。 |
內眼晶狀體制造
比利時的PhysIOL是這方面的領導者,目前的制造工藝是基于機械金剛石車削和銑削。晶狀體通常是60-批地生產,因為聚合物極為柔軟,它不適合于機械加工,并需要被冷卻到深冷溫度(通常為-15℃)。即使這樣,刀具的磨損也會發生,金岡右工具每隔幾百回操作就需要更換。 |
因為晶狀體將被植入人眼,在處理之后不留刮損或缺陷是非常重要的。這涉及到一系列后續處理階段,如銑削后的拋光和清洗。
激光微加工,一種非接觸式的加工,是可以消除工具鷹損、適用于各種環境溫度的一個非常具有吸引力的選擇。多年來從C02激光器到uv納秒激光器,許多激光源已被測試。然而,這些工藝都不能取得足夠的質量,并滿足生產要求。最明顯的缺陷是燃燒了熱敏感很高的聚合物。 |
AmDlitude Systemes與其比利時合作伙伴Lasea采用一種工業超快激光器,已共同開發出微機械加工技術:很顯然超快激光器在發展過程中很早就表現了優越的加工質量.而無需大量的后期處理。至于加工時間,我們參考的是機械制造過程的時間,級別是1分鐘。
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超快激光器有著光明的未來
前面段落中所提出的發展趨勢,不僅適用干醫療設備和制藥工業,還涉及到一個更大的應用范圍。領域包括微電子、汽車行業、生物光子學、微納系統制造等,都因為超快激光技術的迅速進步而受益隨著超快激光器不斷變得更強大、更可靠、更具成本效益.超快激光器將鞏固現有市場中的重要性,并在未來幾年進入新的應用領域。 |