在外科、整形外科和其他醫療設備製造方麵，一些傳統的加工技術——有些甚至有上百年的曆史——仍然有著非常重要的作用。然而，最近在激光源和控製技術方麵的進展為醫療設備的精密切邊、鑽孔和熱處理打開了新的大門。當與其他加工工藝結合在一起後，設計師們在衡量產品的可製造性時可以找到一種最佳的方式。接下來將為讀者介紹新技術與舊技術是如何聯手滿足醫療設備製造的特殊需要的。
充滿挑戰的曆史
1957年，Earl Bakken與明尼蘇達大學著名的心髒外科醫生C. Walton Lillehei一起研發出使用晶體管節拍器（transistorized metronome）的便攜式心髒起搏器。這便是全球植入性醫療器械製造產業的開端。
自此，正確的設備功能、生物相容性、可製造性和最終的成本等等問題接踵而至。如何讓植入在體內的假體發揮正常功能並且與身體組織和諧共處，這永遠是一個挑戰。隨著微加工技術的進步，過去幾年來在這方麵的設計得到提升。選擇合適的材料也使得生物相容性問題不那麽令人畏懼。
為了生產出高度一致的可靠的能挽救生命的產品，生產工程師們承受了巨大的壓力，他們在統計過程控製（SPC）技術的支持下，想方設法設計出獨特的解決方案來確保整個過程都處於控製之中，並最終生產出可靠的產品。接下來就是成本問題。如果生產出來的產品是大部分需要它的人負擔不起的，那麽這種產品對於我們的社會還有什麽意義呢？
對Earl Bakken來說，不幸的是在他那個年代並沒有工業激光器，而且早期的設計和生產中，傳統的材料和工具難以生產出需要的組件。直到二氧化碳和Nd:YAG激光器在材料加工中得到應用時，情況才開始迅速變化。20世紀90年代以前，用於金屬醫療設備開發和製造的激光器主要是兩種類型：二氧化碳和閃光燈泵浦Nd:YAG激光器。
在20世紀90年代中期，改進的Nd:YAG激光器開始用於材料“冷”去除（燒蝕）和點焊等關鍵過程中。技術要求很高的燒蝕一般使用準分子激光技術（光斑尺寸一般為25～50微米，波長一般為0.2～0.4微米），雖然昂貴，但是極為有效。
選擇正確的激光器
以下將介紹如今用於醫療設備製造中的材料加工（切割、鑽孔和焊接）的四種激光器，以及如何選擇適合該種加工方式的激光器。
重要的是要記住：激光器隻是激光係統中的一個組成部分，其作用類似於汽車的引擎。對於基於激光技術的製造醫療設備的生產體係來說。不僅要考慮激光器，還要考慮到其他的組件，例如運動係統、控製係統、過程傳感器和輔助組件等。
我們首先簡要地討論以下四種激光器：CO2、脈衝Nd:YAG、Yb光纖和超短脈衝激光器，以及三種在醫療設備製造中常見的材料加工方式：切割、鑽孔和焊接。
CO2激光器：CO2激光器是以CO2氣體作為工作物質的氣體激光器，放電管裏麵充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣，一般還有少量的氫或氙氣）。這是有記載的最早用於製造業的激光器類型之一，最早應用於該工業的記載是1966年用於鈦的切割和焊接。它的波長為10.6微米附近的遠紅外波段(IR)。
Nd:YAG激光器：這種激光起初是由一個或多個高強度氙燈來激發摻釹釔鋁石榴石晶體；後來采用激光二極管來激發。其波長是在1.06微米的近紅外波段。目前使用的Nd:YAG激光器主要是脈衝類型；CW版本很大程度上被光纖激光器取代。
光纖激光器：向光纖中摻雜Yb(鐿)離子使之激活，使用二極管激發。雖然有其他選擇，但在材料加工的高功率應用中Yb被認為是最具成本效益的。這種激光器的波長也是在1.07微米的近紅外波段。光纖激光器按輸出激光特性分為連續光纖激光器和脈衝光纖激光器。
?超短脈衝激光器： 一般定義為固體脈衝激光器產生的脈衝寬度在皮秒（10-12秒）至飛秒（10-15秒）量級。這些激光器通常有一個基本的波長。基本頻率是在1.06微米的近紅外波段，通常可翻一倍、兩倍或三倍至可見光或紫外波長。使用更短的波長來加工有很多好處，例如當需要比基本波長能實現的尺寸更小的激光光束時。這種類型的激光器的共同特點是能產生質量非常高的激光光束，高頻率且脈衝極短，通常在kHz至MHz之間。
從製造商的報告中可以清楚地看到，對於製造醫療設備所使用的一般材料，CO2和Yb光纖激光器這兩種類型都可以勝任切割和焊接各種薄和厚的材料的工作。超短脈衝激光器最好是用於切割和鑽孔那些要求熱影響區（HAZ）很小或者沒有的薄的材料，或者是對完成的部件進行後處理。
同樣，雖然近期的進展使我們的目光轉向高峰值功率光纖激光器，但是脈衝Nd:YAG激光器仍然是唯一一個可以鑽高厚徑比孔的激光器。有許多研究都看好這種類型的激光器在鑽孔方麵的應用。如果現在要求鑽高厚徑比孔，那麽唯一的選擇就是脈衝Nd:YAG激光器。它可以實現各種切割和切邊的應用，但是速度比其他類型的激光器所能實現的速度要低。它可以應用於一些自體焊接，但是使用填充材料的焊接則超出了標準的脈衝Nd:YAG激光器的能力。
為切割和焊接的組合來選擇激光器是一個相對容易的工作，而為鑽孔和切割的組合或者鑽孔和焊接的組合甚至是這三種的組合來選擇激光器則要困難得多。稍有不慎，整個激光係統則不能給出一個令人滿意的解決方案來同時滿足三種加工方式的要求。
切割
激光切割時，聚焦的激光束在工件的表麵被吸收後可以將材料熔化。與此同時，用與激光束同軸的氣體來提供機械能量（在某些情況下是化學能量）來移除被激光熔化的材料。在很多材料上可以用激光實現“清潔切割”，並且借助於一些惰性氣體，如氮氣、氬氣或氦氣，來保證切口表麵不會發生化學反應，相對來說也沒有毛刺和碎片，熱影響區（HAZ）也小。後者取決於激光參數、運動係統和工件的形狀。超短皮秒(ps)和飛秒(fs)脈衝激光器通常不需要這些氣體來協助，因為材料被移除的同時會被汽化和/或升華，有時被稱為“冷燒蝕”。這種低能量、短脈衝持續時間和高重複率的結合，使得工件吸收的熱量很小。最終的結果就是切割的邊緣很小，而且幾乎沒有熱影響區（HAZ）。
鑽孔
衝擊打孔：激光束聚焦到直徑大約等於所需的孔的直徑大小，並且聚焦到固定的材料表麵，一係列的激光脈衝通過熔化材料來去除它，直到形成一個洞。一種連續鑽孔的方法被稱為飛行鑽孔（drill on-the-fly，縮寫為DoF），它是在衝擊打孔的基礎上，通過將組件以特定的速度旋轉來達到以特定的排列來鑽孔的目的。即，在特定排列的孔洞位置處施以單一的激光脈衝，然後在隨後的組件旋轉過程中，額外的激光脈衝會繼續被施加到每個孔洞的位置，直到形成所需要的孔。
衝擊打孔和飛行鑽孔主要建立在每秒鍾數十個脈衝的高脈衝能量上。每一脈衝都會熔化並蒸發一部分材料，同時在熔體腔內形成高壓（在蒸發過程中，孔眼中的材料體積急劇膨脹，產生了很大的壓力）。這導致被去除的熔化的材料會形成融熔體。融熔體的大小取決於具體的激光參數和材料的化學組分。
旋切打孔：激光束聚焦到比所需的孔的直徑較小的直徑大小。材料在所需的孔的中心位置被打出一個較小的初始孔，然後激光器在工件上方幾個越來越大的環形軌道中移動，將初始孔擴大，直到形成所需直徑大小的孔。
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