激光技術的最新進步為(wei) 精密機加工注入了更強的能力，既杜絕了熱效應，又最大程度減少了後處理。

毫秒級（ms）光纖激光器多年來一直成功應用於(yu) 醫療設備應用，例如注射管和支架的切割。盡管精密而快速，但這種加工方法的不利之處在於(yu) 部件切割之後總是需要執行一係列的後處理，顯著增加了部件成本，並增加了這些精巧機械部件受損的風險。

近年來，超短飛秒（fs）級激光器技術已得到引入，這種激光器所生成的激光脈衝(chong) 不會(hui) 在部件上留下熱效應指紋。這些碟式飛秒激光器提供了短於(yu) 400fs的激光脈衝(chong) 和卓越的光束質量，並且具備足夠的峰值功率，足以實現極高質量的冷燒蝕切割工藝，無需采用熔融噴射工藝。由此執行的切割加工隻需要最少量的後處理，而且更細的光束更可以加工出非常精巧的細部。

這種工藝在生產(chan) 醫療設備時效果特別出色，如導管、心瓣膜和醫用支架，並可用於(yu) 玻璃切割和標識製作應用，還可用於(yu) 牙科植入物陶瓷材料的3D結構製造。但是，也許最有潛力的應用在於(yu) 一種新類型的生物吸收型材料，即能夠在受控時間長度內(nei) 在身體(ti) 內(nei) 安全地置留並隨後吸收的聚合物材料，目前這些材料正處於(yu) 開發當中，將用於(yu) 替代傳(chuan) 統聚合物或金屬部件。

過去，飛秒級激光器一直被認為(wei) 加工速度過慢，無法執行商業(ye) 上可行的加工作業(ye) 。最近的研究評估了每個(ge) 部件的切割用時和後處理步驟，證明了在許多個(ge) 案當中，碟式飛秒級激光器的投資回報期少於(yu) 12個(ge) 月，特別當用於(yu) 加工高價(jia) 值部件時。飛秒級激光器的潛力在很大程度上有賴於(yu) 係統平台，因此Jenoptik和MiyachiAmerica正在聯手開發台階平台和掃描頭平台，這兩(liang) 種平台設計用於(yu) 達到微處理所要求的質量和精密度水平。

圖１此圖對比了采用毫秒級激光器與(yu) 飛秒級激光器的加工結果

飛秒級激光基本特點

飛秒級光脈衝(chong) 屬於(yu) 超短脈衝(chong) （USP）。1fs＝10-15s，作為(wei) 校準點，1個(ge) 300fs的脈衝(chong) 等於(yu) 僅(jin) 90μm的物理脈衝(chong) 長度。由於(yu) 不像納秒級（ns）脈衝(chong) 那樣的熱加工過程，USP具有眾(zhong) 多優(you) 點：沒有熱衝(chong) 擊、沒有衝(chong) 擊波、無微裂紋、無熔融效應、無表麵損傷(shang) 、無殘屑、無材料噴射、無重鑄層。

飛秒級激光器技術並非新鮮技術，這項技術已經廣泛應用於(yu) 科研機構和研究中心30多年了。但是，可在商業(ye) 上應用的飛秒級激光技術，需要具備能夠在工業(ye) 環境下以全天無休24/7式工作的能力，而這種技術才出現了隻不過7年左右。飛秒級激光器最近用於(yu) 晶圓切片和蝕刻P1、P2、P3級太陽能電源板，或用於(yu) 在電池板上製造供電極使用的溝槽，而如今這種激光器掀起了一波新加工能力的浪潮，有眾(zhong) 多醫療設備將成為(wei) 這種加工方式的優(you) 良適用者，特別是考慮到這種工藝在加工部件方麵所存在高成本時。

除了能夠盡量減少後處理而帶來的投資回報合理性之外，飛秒級碟式激光器還可以形成一些獨有特色，而這些特色是之前因為(wei) 質量顧慮而不可能實現的，特別是在聚合物加工領域。圖2所示為(wei) 納秒級355nm激光源與(yu) 1030nm飛秒級激光源在加工聚丙烯時的對比。碟式飛秒級激光加工孔在外觀上呈現出極少的錐度，孔周圍完全沒有熔融和熱效應變形現象。這種能力可以幫助產(chan) 品提升在設計上的自由度，無需或極少需要在製造工藝方麵做出妥協，隻需盡力加強功能。

圖２以上對比照片顯示了采用一個(ge) 355nm納秒級（NS）激光器（左）和一個(ge) 1030nm飛秒級碟式激光器（右）所鑽成的孔

投資回報方麵的開發考慮

采用飛秒級激光器對金屬和塑料材料加工可以達成優(you) 秀的邊緣質量，使得這種激光器可以出色地應用於(yu) 心髒、大腦和眼睛支架（鎳鈦合金和鈷鉻合金兩(liang) 種材質）、導管、心髒瓣膜和聚合物管子。這種幾乎為(wei) 冷切割的工藝意味著，可以在最輕薄的材料上切割出非常精細的外表特征尺寸，同時保持機械和材料上的完整性。即使用於(yu) 加工最小直徑的鎳鈦合金管也無需管內(nei) 水冷。

質量改進以及減少後續加工的前景一直以來都讓飛秒級激光器技術在理論上處於(yu) 可能的地位，但是直至6年前，對於(yu) 其在醫療設備方麵的應用仍然基本不存在商業(ye) 的興(xing) 趣，因為(wei) 顧慮到與(yu) 其他技術相比的費用和緩慢加工速度。

而包括Jenoptik在內(nei) 的公司從(cong) 那時起一直在開發投資回報率計算工具，以證明後處理的真實成本。這個(ge) 工具可以用於(yu) 考慮綜合成本要素，包括激光設備購買(mai) 、後處理能力、加工用時和操作用時。這些計算證明了飛秒級激光器事實上速度更快，因為(wei) 這種激光器可以減輕多項極為(wei) 耗時後處理步驟的負擔。

圖3左圖所示為(wei) 3個(ge) Nitinol支架，右圖所示為(wei) 一個(ge) 100mm厚Nitinol支架的放大圖。

邊緣表現出與(yu) 材料表麵相同的光潔度

以通用型冠狀動脈支架為(wei) 例，這種支架是頭一個(ge) 采用光纖激光器製造的設備。首先，這個(ge) 部件必須進行機加工，然後使用機械工具進行修磨，或進行內(nei) 部清理，最終磨光毛刺。隨後，必須執行一項化學蝕刻工序以清理邊緣周圍，然後執行電解拋光工序。這些步驟不僅(jin) 耗時長久，而且還有可能造成部件易碎和變形，並能夠產(chan) 生微裂紋。良品率處於(yu) 70%的範圍內(nei) ，這意味著有相當多份額的最終產(chan) 品成為(wei) 損失。相比之下，飛秒級激光器屬於(yu) 幹式加工，不向部件導入水或熱量。工序數量得到了極大幅度的削減，部件接受加工，隨後執行一項電化學工序讓邊緣變圓。部件的完整性得到了改進，消除了多項耗時長的工序，良品率可以接近95%。

飛秒級激光器還能加工采用新型生物吸收型聚合物的醫療產(chan) 品。這種聚合物可以安全植入體(ti) 內(nei) 並控製時間長度，隨後吸收，並且不會(hui) 造成有害或不利的交互作用。可生物吸收型聚合物（也稱為(wei) Aspirants）為(wei) 傳(chuan) 統聚合物或金屬部件提供了替代材料，並在設計上能夠滿足精密的降解速度要求和其他規格要求。

可生物吸收型材料可以加工成可用於(yu) 支架的任意形狀。但是，這種材料的加工方式必須正確，且不得引入熱量。如果不能達到上述要求，就會(hui) 導致材料內(nei) 出現晶化現象，這種現象會(hui) 使材料的結構降級，影響其使用期限和以正確速度緩釋藥物的能力。而且，由於(yu) 可生物吸收型材料會(hui) 溶解，所以無法像絕大多數塑料一樣接受清潔，而且也不能接觸任何液體(ti) 溶劑，這也是飛秒級激光器技術是一種更適合這種材料的原因。

可生物吸收型材料已經在歐盟用於(yu) 冠狀動脈支架，盡管目前還未收到美國食品藥物管理局（FDA）對其在美國使用的批準。這種材料絕大多數由聚酯構成，主要為(wei) 聚乳酸和聚乙醇酸的均聚物和共聚物。此材料在各種應用領域表現出光明的前景，包括已經多次置入支架並因而無法耐受傳(chuan) 統固定支架治療的患者用心血管支架。這種材料目前還用於(yu) 在插入器官後向身體(ti) 器官輸送藥物，能以恒定的速率將藥物釋入，且材料最終在預先製定的時間內(nei) 溶解。圖4所示為(wei) 一個(ge) 飛秒級激光器切割可生物降解型支架的示例。

圖4這張放大圖顯示出碟式飛秒級激光器對生物吸收型支架的切割效果

經過多年臨(lin) 床試驗，已有數家企業(ye) 正在等待批準，並已經計劃在美國市場大力推廣這項創新材料，而且有幾家企業(ye) 已經具備了使用飛秒級激光器設備執行所需精密微加工的資格。

飛秒級激光器和微加工　　

碟式飛秒級激光器的工業(ye) 級強健性需要與(yu) 同等係統搭配使用，達到醫療設備行業(ye) 所要求的日常可靠性。目前，飛秒級激光還不能用光纖進行傳(chuan) 導，因此，需要使用固定鏡麵指向和傳(chuan) 導至對焦透鏡。因此，想要設計一套光束傳(chuan) 導係統，用於(yu) 4軸式管切割器，能夠執行偏軸切割，同時保持對中度，這種設計存在著難度。光路設計必須確保諸如光束擴展器和精調衰減器這樣的關(guan) 鍵光學工具能夠隨著工藝開發的需要而輕鬆接近。此項係統設計要求實現全麵的機械隔離，並在某些情況下，要求環境溫度穩定性，才能提供一套用於(yu) 確保工藝可重複性的係統基礎。

Jenoptik與(yu) MiyachiAmerica合作開發了這套係統，集成了將飛秒級激光器推向市場所必需的能力。第一套開發成功的平台以Miyachi的Sigma管切割器為(wei) 基礎。

設計精密微加工係統可能表麵看來隻與(yu) 使用了多少花崗石材料有關(guan) 。拚成設計拚圖的其他關(guan) 鍵片包括了確定如何對精細部件和材料進行重複定位或夾裝、實施係統內(nei) 部件檢驗以及集成實時光束診斷能力。

光束由反射鏡反射直接通過係統，所以保持光學對準度有著重要意義(yi) 。但這隻是第一步而已。確保光束特性和功率等級得到保持要求使用光學診斷工具，而這些工具必須在線工作並且不會(hui) 侵入通路，還要能夠提供實時信息。工具通常直接安裝在激光器之後，而光束通路上的最後一個(ge) 精調鏡將為(wei) 激光束或光學光束通路排除偏差。在線和非侵入式的方式能夠實現加工過程中數據采集，並可以做出時間和日期戳記，形成製造數據的組成部分。

光明的未來

飛秒級碟式激光器提供了同類當中獨特的加工能力，光束質量優(you) 異，峰值功率高。為(wei) 了最大提升生產(chan) 加工能力，這種激光器必須集成到一套能夠實現高品質和可重複加工的係統當中。這樣一套已經上市多年的基礎堅實的飛秒級激光器產(chan) 品，與(yu) 具備內(nei) 部部件加工能力的經驗豐(feng) 富的微係統提供商相結合，就形成了一種配合緊密的合作夥(huo) 伴，將為(wei) 高價(jia) 值醫療產(chan) 品開發出理想的生產(chan) 係統解決(jue) 方案。