第一代超快激光器使用摻鈦藍(lán)寶石作為激光有源材料，于20世紀(jì)90年代早期被商業(yè)化推出。
1999年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予Ahmed Zewail教授，以表彰他在超短時(shí)間化學(xué)反應(yīng)分析工作上取得的成就。在十年之內(nèi)，從一種新技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用該技術(shù)且獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這展示了超快激光器為科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)的革命性變化。
在這十年間，盡管當(dāng)時(shí)的激光器未能滿足各種工業(yè)對(duì)它們?cè)谛阅堋⒊杀尽⒁?guī)格和可靠性方面的要求，但是超快激光器在新工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用中的潛力已經(jīng)顯而易見(jiàn)。
2000年左右，采用摻鐿激光材料和電信級(jí)半導(dǎo)體的新一代二極管泵浦超快激光器推向市場(chǎng)。這些緊湊型高功率、高度可靠性以及性價(jià)比高的超快激光源為快速擴(kuò)展的市場(chǎng)拓展了工業(yè)應(yīng)用。結(jié)果是，過(guò)去十年中，安裝數(shù)量逐年翻番。
如今，業(yè)界已能提供商業(yè)工業(yè)超快激光器，具有從飛秒到皮秒級(jí)的大范圍脈寬，平均功率范圍幾十瓦，能夠用于苛刻的工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境。
應(yīng)用背景
超快激光器在極短時(shí)間內(nèi)聚集脈沖能量，形成極高功率密度。緊湊型臺(tái)式超快激光器提供的功率甚至可超越核電站。由于具有如此之高的功率，其激光可以加工幾乎任何類型的材料，包括傳統(tǒng)的、很難加工的材料，例如金屬、陶瓷和玻璃。
另外，由于脈寬極小，加工期間幾乎不產(chǎn)生多余的熱量，這種無(wú)熱加工的效果和質(zhì)量極佳。另外，在進(jìn)行微機(jī)械加工時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熔化、開(kāi)裂、汽化或者其它有害散熱。
超快激光器現(xiàn)被用于追求高質(zhì)量加工效果的工業(yè)應(yīng)用，例如：
● 選擇性融蝕，用于加工半導(dǎo)體、顯示屏或光伏產(chǎn)業(yè)用的薄膜；
● 無(wú)應(yīng)力內(nèi)雕，用于制藥和奢侈品行業(yè)中的防偽應(yīng)用；
● 眼睛屈光手術(shù)，包括視力矯正和白內(nèi)障手術(shù)；
● 微電子工業(yè)的高質(zhì)量微機(jī)械加工應(yīng)用；
● 醫(yī)療設(shè)備制造。
醫(yī)療設(shè)備制造
醫(yī)療設(shè)備是具有高附加值的產(chǎn)品，在質(zhì)量方面要求嚴(yán)格，通常要求采用挑戰(zhàn)性的工業(yè)制造工藝。基于這些原因，超快激光器在醫(yī)療設(shè)備制造領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用。
最著名的應(yīng)用是支架制造。支架是一種由金屬或聚合物制造而成的假體。它可用于擴(kuò)張術(shù)，使得在血管或腔體狹窄或閉塞的情況下血液能夠流入閉塞的動(dòng)脈。激光切割支架的質(zhì)量?jī)?yōu)良且功能多樣，現(xiàn)今是支架及其輔助工具的主要制造工藝。
典型的支架是采用激光束切割其框架的小型管道，因此管道的性能與彈簧相似，可以防止手術(shù)之后動(dòng)脈收縮。取決于型號(hào)和制造商而定，支架的直徑從1.2毫米至3.5毫米不等，壁厚為0.10毫米至0.25毫米。可以考慮三種不同的支架：
● 采用金屬、不銹鋼（80%）或鎳鈦合金（即含有鎳和鈦金屬的、可以記憶形狀的合金，20%）制造的簡(jiǎn)單支架。
● 金屬支架加上某些活性物質(zhì)，以防通道再次出現(xiàn)狹窄的情況。采用“幾步洗脫”在支架上添加活性物質(zhì)，以提高支架的耐用性。通過(guò)支架上的微型貯液囊或者涂層來(lái)執(zhí)行洗脫。這些支架占據(jù)了每年實(shí)際支架手術(shù)的主要份額（大于75%）。
● 最近出現(xiàn)的生物可吸收支架，一般采用PLLA（聚乳酸）聚合物制造。這些產(chǎn)品也可添加活性物質(zhì)。使用時(shí)，支架緩慢降解并在動(dòng)脈愈合之后逐漸融于血液之中，這一過(guò)程需要幾個(gè)月或者多達(dá)一年或兩年的時(shí)間。近來(lái)，生物可吸收聚合物支架已經(jīng)通過(guò)CE認(rèn)證，可在歐洲使用。
由于生物可吸收支架采用聚合物制造，這種材料對(duì)于熱效應(yīng)極其敏感，采用長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行機(jī)加工時(shí)，不能保證足夠好的質(zhì)量，而且切割工藝會(huì)產(chǎn)生熱量，因此需要采用超快激光加工工藝制造這些支架，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)的制造效果。
另一方面，如今采用長(zhǎng)脈沖激光加工金屬支架，脈寬通常為s或ns級(jí)別。
激光切割技術(shù)的應(yīng)用始于管道，僅僅是支架制造工藝中的一部分。其它工藝包括修邊、機(jī)械延展和熱處理、電拋光、消毒和殺菌以及包裝。根據(jù)激光的用途，激光切割期間在管道內(nèi)使用水流做濕切割。輔助氣體也可以提高整體的切割質(zhì)量。通常，切割寬度為10 至20 m，精確度為5 m，切割速度為5 mm/s。
后期加工步驟占據(jù)著制造總成本中的大部分。由于超快激光器光束切割金屬的質(zhì)量?jī)?yōu)于長(zhǎng)脈沖激光，因此，后期加工階段成本大幅降低。
制造總成本包括攤銷激光器投資、激光器工作成本以及后期加工成本。超快激光器的投資成本一般高于其它技術(shù)。但是，它們的工作成本低，還可以大幅降低后期加工成本。另外，由于激光器功率和重復(fù)率持續(xù)改進(jìn)，這將大幅增加加工產(chǎn)量。
所有這些因素推動(dòng)了超快激光器在支架制造中的應(yīng)用大量增長(zhǎng)，這種趨勢(shì)在未來(lái)幾年中還將繼續(xù)。
概括地說(shuō)，醫(yī)療設(shè)備制造中工業(yè)工藝的日益發(fā)展，受益于超快激光器可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工，包括激光切割脈管設(shè)備（閥門、神經(jīng)支架）；在導(dǎo)管或針上進(jìn)行激光微鉆孔；以及對(duì)可移植的生物相容元件做表面微處理。
新興應(yīng)用
新興應(yīng)用將逐漸找到其更為廣泛的用武之地。例如，超快激光器的直接激光打印允許將活性細(xì)胞精確沉積到生物基板上，精確度高，細(xì)胞死亡率低，對(duì)于組織工程或重構(gòu)有著令人興奮的前景。
超快激光器也用作微型超薄切片機(jī)，精確切除或切開(kāi)組織或生物樣本。這些技術(shù)目前正被延伸到納米級(jí)，允許在細(xì)胞內(nèi)開(kāi)展納米解剖。在其它領(lǐng)域，超快激光器正成為制造生物芯片的一種重要工具，這種生物芯片集成了機(jī)械、光學(xué)和微流體功能。歐盟贊助的Femtoprint項(xiàng)目是一家多合作伙伴協(xié)作項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)微型和納米級(jí)打印機(jī)，以便能夠使用先進(jìn)的緊湊型超快激光器來(lái)制造微系統(tǒng)。
結(jié)論和展望
采用工業(yè)超快激光器，可以進(jìn)行高質(zhì)量加工，用于醫(yī)療設(shè)備制造等應(yīng)用極其理想。動(dòng)態(tài)科學(xué)與工業(yè)領(lǐng)域推動(dòng)了新型工業(yè)應(yīng)用日益發(fā)展。
超快激光器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將促使其平均功率更高、重復(fù)率更高以及尺寸更小，這意味著越來(lái)越多的新應(yīng)用將具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，在未來(lái)的制造工藝中發(fā)揮重要的作用。
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