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超快激光技术的发展与医疗领域的应用

  

技术背景
       脉冲宽度在飞秒和皮秒领域的工业超快激光器,正迅速大量用于许多工业和医疗应用。其在超短脉冲宽度内能够聚焦超高光强度的能力,给它们在微加工应用上带来了极大的优势:
       超快激光在极短的时间集中脉冲能量,产生了非常高的光功率。从紧凑的桌面超快激光得到的功率可超过核电厂。因为这么高的功率,激光烧蚀可适用在几乎任何类型的材料,包括传统上较难加工的材料(金属、陶瓷、玻璃…)
       另外,由于极短脉冲宽度,在相互作用过程中几乎不产生热量损耗,实现了几乎无热烧蚀。因此是一个质量非常高的过程:微加工发生的同时不会熔化、破裂、汽化或产生任何其它有害的影响。
       早在1995年,人们就发现了超快激光在微加工应用的潜力,例如德国的汉诺威激光中心。然而在当时,可用的激光器体积很大,科学仪器很笨重,不适合工业应用。
  
     在1990年代后期,欧洲的研发工作,尤其是苏黎世和波尔多,导致了新一代直接二极管泵浦、掺镱超快激光器的出现。基于新的激光材料,掺镱激光器更可靠、更紧凑,比第一代科学激光器的效率更高。

       最初由几个先驱创业公司开发,后来越来越多的厂商也加入开发,超快激光器现在已经演变成一种强大的工业加工工具;在过去的10年中,商用超快激光器的平均功率增加了一百倍,今天达到数十瓦甚至上100瓦。最近实验室的发展重点已经瞄准了千瓦级超快激光器。

  
经济实惠背景
       功率上的增加,可靠性和制造工艺的进步已经使这项技术迅速成熟。
       超快激光器目前被应用于不同的领域:
       一在半导体、显示器和光伏产业的薄膜上的选择性烧蚀:
       一在制药和奢侈品行业的防伪应用进行无压力的内部雕刻:
       一眼屈光手术,包括视力矫正和白内障手术:
       一在微电子工业中高品质微加工应用:
       一工业过程控制和分析化学:
       一医疗设备制造。


  

       使新应用开发成为可能的一个重要因素是最新一代超快激光器的工业生产。为了超快激光技术在特定应用中被采用.需要满足两个主要标准;
      (一)超快激光加工的质量水平必须足够高,以证明初始投资价值还是比传统激光器更高。
      (二)工业生产必须保证用户有充足的投资回报率。
       投资回报率取决于以下几个因素:初始投资成本,每单位时间生产钓零部件数量和总工艺成本。
       初始投资成本,以xx美元/每瓦来算,在过去10年已经减少了近两个数量级,这意味着.对于相同的预算,今天可用到50至100倍的功率。这种额外的功率直接转换成加工速度,因此提高了工业生产率并降低制造成本。

       此外,高加工质量通常通过超快激光器实现,并因此取得更低的总加工成本,我们将在后面医疗器械制造行业的例子中看到。

  

支架制造
       医疗器械高附加值的设备,在产品质量方面要求严格,而且往往需要具有挑战性的工业制造加工。由于这些原因,超快激光器越来越多的应用于医疗制造。
       最广为人知的应用是支架制造。支架是指采用金属或聚合物制成的假肢。支架是用于经皮肤血管成形术,以允许血液流入窄、受阻的闭塞动脉。激光切割同时保证质量和多功能性,是支架及其相关工具的主要制造工艺。

       支架是一个由激光加工的小金属管,像一根弹簧以避免动脉收缩。根据不同型号和制造商其直径范围从1.2至3.5nm不等,支架的壁厚从0.10到0.25m不等。我们可以考虑三种不同类型的支架:
       一简易支架由金属、不锈钢(80%)或镍钛诺(由镍和钛两种台金,202;)制成。
       一金属支架+活性物质,以避免血管狭窄再次出现。该活性物质是由“几个步骤洗提”辅助,以提高耐用性效果。此洗提是通过使用容器或支架涂层制成。这些支架占据了实际支架的主要份额(>20%);
      一生物可吸收支架.是近期所开发,一般由PLLA聚合物制成。在这种情况下,一旦动脉已经痊愈,支架被缓慢降解并逐渐消失在血液中。这可能要数月甚至长达一年或两年才会发生。最近,生物可吸收聚合物支架已获得欧洲的CE认证。

       由于生物可吸收支架是由聚合物制成,它对热效应非常敏感,它们不能被长脉冲激光器进行高质量的加工,其中烧蚀加工是一个热性质过程,因此需要一个超快激光器带来高效率、高质量的制造。


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       另一方面,金属支架目前是由长脉冲激光器加工的(通常是μs或ns脉冲宽度)。制造工艺包括激光切割、还包括后续加工(去毛刺、后抛光、清洗…)。后续处理占了总制造成本的重要部分。由于超快激光器可以完成比长脉冲激光更高质量的金属切割.在后续处理阶段成本已显著降低。
总制造成本包括激光投资的采购、激光运营成本、以及后期处理成本,超快激光器比其它有着更高的投资成本然而,它们具有较低的运行成本,并且显著降低后续处理成本此外,激光功率的不断改良和重复频率使得生产效率显著提高,
所有这些因素让超快激光器在支架制造的使用大幅增加,这一趋势在未来几年将继续。

  

防伪
       假冒制药行业的存在是一个主要的全球性的问题,带来了重大的社会损害与经济损失。除了严重的健康问题,尤其在发展中国家,造假也给制药行业带来至少160亿美元的损失;假冒也逐渐成为犯罪组织和恐怖组织扩展的一个新的、相对安全的领域。

       然而,医药行业对激光技术的防伪目的也有具体要求:
       一识别标记应尽可能靠近初级包装,如注射器、硬纸板箱、或小瓶与调色板:
       一打标过程中不能改变产品:
       一标记应该是防篡改,易于阅读:
       一加工速度应当与生产环境相容。

       激光打标已经渗透到了广泛的行业,是当今用于追溯跟踪和产品标识市场的重要技术,包括汽车、微电子、半导体、光伏、医药、包装等行业。

       超快激光器是当今唯一能够满足所有这些要求的技术:喷墨印刷与射频识别(RFID)是容易被篡改的,并没有解决初级包装.纳秒激光器会产生微裂纹,这是终端产品不能接受的。
 

 

 

 

 

       

 

       近期的工业级超快激光器的最新发展使内部打标成为可能,且不会对容器造成任何损坏。由于超快激光器输出非常高的光强度和非常短的脉冲宽度,在相互作用过程中几乎没有散热过程,这意味着不存在微裂纹形成的可能。由于各个点可做得非常小,也可以实现几乎不可见标记,并保证其在适当照明下可读出来。
       第一个科技突破可追溯到2004年,是欧盟资助的一个项目。一个特殊的超快激光源被开发出来,这证明了所有的关键技术项目。2007年,第二个项目带来了高功率超快光纤激光器的发展,一种高速光束处理系统和先进的光学阅读器。此解决方案,今天已经商业化了,使数字矩阵码的打标速度高达每秒15个样本,与制药行业的要求相一致。

  

内眼晶状体制造
       白内障是最常见的眼部疾病之一,每年在美国就要执行超过300万例相关手术二它的特点是眼晶状体逐渐混浊.导致视力模糊甚至视力丧失。
       治疗白内障的方法包括在破坏和去除晶状体.留下其膜囊完整,并植入一个聚合物人工晶体(IOL)来恢复功能。该过程包括三个主要步骤:
       (i)打开角膜以见到晶状体;
       (ii)使用高频起声波破坏晶状体,并移除晶状体碎屑;
       (iil)将人工晶体植入到现在晶状体空囊。
       飞秒激光器被越来越多地用于实现全过程,并减少了对角膜和晶状体囊的各种切口,因其精度高,其中心对准与圆弧度都接近理想。飞秒激光器还可以切割晶状体,因此在一定程度上,可以减少超声波侵入眼镜。
       该过程的最后阶段包括一个聚合物人造晶状体(眼内植入物)植入到当前的空囊中,人工晶体包括一种聚合物晶体作为中支柱,被称为“襻定位”(haptics)。

       比利时的PhysIOL是这方面的领导者,目前的制造工艺是基于机械金刚石车削和铣削。晶状体通常是60-批地生产,因为聚合物极为柔软,它不适合于机械加工,并需要被冷却到深冷温度(通常为-15℃)。即使这样,刀具的磨损也会发生,金冈右工具每隔几百回操作就需要更换。
 

 

 

 

       因为晶状体将被植入人眼,在处理之后不留刮损或缺陷是非常重要的。这涉及到一系列后续处理阶段,如铣削后的抛光和清洗。

 

 

 

       激光微加工,一种非接触式的加工,是可以消除工具鹰损、适用于各种环境温度的一个非常具有吸引力的选择。多年来从C02激光器到uv纳秒激光器,许多激光源已被测试。然而,这些工艺都不能取得足够的质量,并满足生产要求。最明显的缺陷是燃烧了热敏感很高的聚合物。
 

  
AmDlitude Systemes与其比利时合作伙伴Lasea采用一种工业超快激光器,已共同开发出微机械加工技术:很显然超快激光器在发展过程中很早就表现了优越的加工质量.而无需大量的后期处理。至于加工时间,我们参考的是机械制造过程的时间,级别是1分钟。

   激光加工的初步结果约是1分钟30秒时间,这还算是非常有竞争力的.考虑到在生产成本的获益以及没有后期处理。下一步的工作,包括一个高速扫描系统的开发,使用更高平均功率的超快激光,以及加工参数的优化并带来加工时间定为30秒级别,即机械加工时间的一半。

超快激光器有着光明的未来

       

       前面段落中所提出的发展趋势,不仅适用干医疗设备和制药工业,还涉及到一个更大的应用范围。领域包括微电子、汽车行业、生物光子学、微纳系统制造等,都因为超快激光技术的迅速进步而受益随着超快激光器不断变得更强大、更可靠、更具成本效益.超快激光器将巩固现有市场中的重要性,并在未来几年进入新的应用领域。

 

 

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