熱線電話:
400 888 1064
 
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。
  
     在1990年代后期,歐洲的研發工作,尤其是蘇黎世和波爾多,導致了新一代直接二極管泵浦、摻鐿超快激光器的出現。基于新的激光材料,摻鐿激光器更可靠、更緊湊,比第一代科學激光器的效率更高。

       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。


  

       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
       醫療器械高附加值的設備,在產品質量方面要求嚴格,而且往往需要具有挑戰性的工業制造加工。由于這些原因,超快激光器越來越多的應用于醫療制造。
       最廣為人知的應用是支架制造。支架是指采用金屬或聚合物制成的假肢。支架是用于經皮膚血管成形術,以允許血液流入窄、受阻的閉塞動脈。激光切割同時保證質量和多功能性,是支架及其相關工具的主要制造工藝。

       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:
       一簡易支架由金屬、不銹鋼(80%)或鎳鈦諾(由鎳和鈦兩種臺金,202;)制成。
       一金屬支架+活性物質,以避免血管狹窄再次出現。該活性物質是由“幾個步驟洗提”輔助,以提高耐用性效果。此洗提是通過使用容器或支架涂層制成。這些支架占據了實際支架的主要份額(>20%);
      一生物可吸收支架.是近期所開發,一般由PLLA聚合物制成。在這種情況下,一旦動脈已經痊愈,支架被緩慢降解并逐漸消失在血液中。這可能要數月甚至長達一年或兩年才會發生。最近,生物可吸收聚合物支架已獲得歐洲的CE認證。

       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。
總制造成本包括激光投資的采購、激光運營成本、以及后期處理成本,超快激光器比其它有著更高的投資成本然而,它們具有較低的運行成本,并且顯著降低后續處理成本此外,激光功率的不斷改良和重復頻率使得生產效率顯著提高,
所有這些因素讓超快激光器在支架制造的使用大幅增加,這一趨勢在未來幾年將繼續。

  

防偽
       假冒制藥行業的存在是一個主要的全球性的問題,帶來了重大的社會損害與經濟損失。除了嚴重的健康問題,尤其在發展中國家,造假也給制藥行業帶來至少160億美元的損失;假冒也逐漸成為犯罪組織和恐怖組織擴展的一個新的、相對安全的領域。

       然而,醫藥行業對激光技術的防偽目的也有具體要求:
       一識別標記應盡可能靠近初級包裝,如注射器、硬紙板箱、或小瓶與調色板:
       一打標過程中不能改變產品:
       一標記應該是防篡改,易于閱讀:
       一加工速度應當與生產環境相容。

       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。
 

 

 

 

 

       

 

       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。
       第一個科技突破可追溯到2004年,是歐盟資助的一個項目。一個特殊的超快激光源被開發出來,這證明了所有的關鍵技術項目。2007年,第二個項目帶來了高功率超快光纖激光器的發展,一種高速光束處理系統和先進的光學閱讀器。此解決方案,今天已經商業化了,使數字矩陣碼的打標速度高達每秒15個樣本,與制藥行業的要求相一致。

  

內眼晶狀體制造
       白內障是最常見的眼部疾病之一,每年在美國就要執行超過300萬例相關手術二它的特點是眼晶狀體逐漸混濁.導致視力模糊甚至視力喪失。
       治療白內障的方法包括在破壞和去除晶狀體.留下其膜囊完整,并植入一個聚合物人工晶體(IOL)來恢復功能。該過程包括三個主要步驟:
       (i)打開角膜以見到晶狀體;
       (ii)使用高頻起聲波破壞晶狀體,并移除晶狀體碎屑;
       (iil)將人工晶體植入到現在晶狀體空囊。
       飛秒激光器被越來越多地用于實現全過程,并減少了對角膜和晶狀體囊的各種切口,因其精度高,其中心對準與圓弧度都接近理想。飛秒激光器還可以切割晶狀體,因此在一定程度上,可以減少超聲波侵入眼鏡。
       該過程的最后階段包括一個聚合物人造晶狀體(眼內植入物)植入到當前的空囊中,人工晶體包括一種聚合物晶體作為中支柱,被稱為“襻定位”(haptics)。

       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。

   激光加工的初步結果約是1分鐘30秒時間,這還算是非常有競爭力的.考慮到在生產成本的獲益以及沒有后期處理。下一步的工作,包括一個高速掃描系統的開發,使用更高平均功率的超快激光,以及加工參數的優化并帶來加工時間定為30秒級別,即機械加工時間的一半。

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。

 

 

脈動科技有限公司
地址:北京市海淀區中關村東路84-9號二層;上海市茅臺路868號光華大廈南樓1009室;西安市南二環西段太白立交西北未來城3號樓2404單元;深圳市南山區前海灣龍海家園15棟101室,
電話:010-62565117  傳真:010-62565117-803
郵箱:[email protected]
千炮捕鸟达人 足彩14场开奖结果奖金 极速时时是私人的 重庆时时计划投资 辽宁快乐12关注号 怎么判断时时彩大小 安徽时时快3走势图 至尊彩app是真的吗 时时平台哪个好 jdb财神捕鱼经验 江苏时时预测软件下载 3d千禧试机号家彩网 3d开今晚试机号 pk10计划专家在线计划 重庆实时走势图5星综合 北京赛車app下载 柬埔寨五分彩开奖公告