在過去的幾年中，我們發現超短脈沖（USP）激光已經越來越多地被用于醫療器械的制造，從支架和導管到剝線和球囊紋理化，到處都可以見到USP激光的身影。
上述所提及的精密醫療器械，其所需的質量和尺寸精度水平與USP激光器非常吻合，USP激光器在塑料，以及金屬和塑料組合材料的鉆孔、切割、打磨、紋理加工以及機械加工方面表現出色。
作為擁有自己的應用實驗室的獨立激光集成商，AmadaMiyachiAmerica公司在測試中篩選出了最適合醫療器械加工的激光器，AmadaMiyachiAmerica已經對用于聚合物加工上的USP激光器進行了測試，并希望分享我們的一些發現和成功建議。
聚合物加工的關鍵激光參數
在實驗過程中，我們發現，對于醫療器械的聚合物處理而言，最重要的考慮因素是脈沖寬度，脈沖能量和頻率以及波長。這些因素將很大程度上的影響最后獲得的加工成果，所以要十分注意。
脈寬
在實驗中，我們使用了相同的脈沖寬度可調的激光器，分別對300飛秒（fs）到10皮秒（ps）的脈沖寬度進行了測試，在我們可控范圍內讓所有其他光束參數都盡可能相等，從而讓實驗數據更加客觀真實。圖1顯示了使用不同脈沖持續時間的加工通道的橫截面，并顯示了加工通道深度。第一排是氟化乙烯丙烯（FEP）材料，第二排是聚四氟乙烯（PTFE）。
圖 1 使用不同脈沖持續時間的加工通道的橫截面
測試表明，基于材料去除率，飛秒脈沖持續時間是最佳選擇。同時，實驗發現較短的飛秒脈寬始終能夠提供出色的加工質量，因為使用飛秒加工的材料去除過程是純升華去除過程，屬于一種冷加工。由于冷加工不涉及熔化，因此不會存在頂部或底部側面出現毛刺的問題，并且使用飛秒激光可以更精確地控制和適應加工尺寸。而相比飛秒激光而言較長的皮秒脈沖寬度，盡管也能提供不錯的質量，但加工成品中出現了毛刺效果，這表明在實驗過程中某些材料受熱熔化。
脈沖能量和頻率
在實驗過程中，我們不禁自問：“究竟是使用較低頻率的較高脈沖能量比較好，還是使用較高頻率的較低脈沖能量比較好？”為了得到明確的答案，我們在20W的恒定平均功率和290飛秒的脈沖寬度下測試了三種脈沖能量水平。
圖2中顯示了三種脈沖能量/頻率組合的FEP塑料多道劃線的數據。左圖顯示了通過次數的劃線深度，右圖顯示了通過次數的劃線的體積清除率。我們發現，使用40mJ/500kHz的低能量/高頻率到大約0.5mm的深度時，多道劃線的深度和體積去除效果都更好。
圖 2 三種脈沖能量 / 頻率組合的 FEP塑料多道劃線的數據
當劃痕的較窄寬度超出此0.5mm的范圍時，則可能會阻止能量到達更深的位置。使用200mJ的較高脈沖能量后，則開始能夠產生更寬的劃線，較寬的脈寬能讓激光能量進入劃線的底部更深的部分，并能隨著更多的能量通過率來以線性速率繼續增加劃線深度。
除了上述發現以外，我們還發現了：使用較高的脈沖能量會增加焦點的加工深度，所以沿著聚焦軸的零件位置進行公差增加是十分必要的，因為過程不合規格的最常見問題是：如何保持焦點相對于零件的位置。
波長
我們的波長測試考慮了兩個關鍵點：對于相同的光學參數設置，較長的波長使用了較高的平均功率和脈沖能量，較短的波長則使用了較小的光斑大小。這意味著幾乎不可能建立絕對的只關于波長與波長之間比較的測試。
因此，我們關心的點在于：哪種波長（紅外、綠光或紫外）才是去除率、質量和加工范圍的最佳解決方案？于是，我們著手在三個波長之間進行了一個完完全全的最佳處理性能測試，從而給Pebax?（一種阿科瑪公司的剛性的聚酰胺嵌段和軟聚醚嵌段組成的嵌段共聚物產品，多用于心臟外科導管制造）帶來“良好”的質量特征。
圖3 去除率與質量之間的關系有利于綠光和紫外波長
圖3顯示了我們的結果，它清楚地表明了去除率與質量之間的關系有利于綠光和紫外波長。圖中橫截面顯示的流明中的特征是紫外波長的結果。我們發現，當我們在使用較高的紅外波長脈沖能量/平均功率時，紅外波長脈沖的能量往往會使材料過熱，而并沒有讓去除率增加。在比較之中，我們沒有發現綠光和紫外的在去除率方面有很大的不同，但是紫外波長確實顯示出更好的特征表面光潔度和更少的碎屑。
我們最初認為，飛秒脈沖通過有效地用光子雪崩把材料拍打成順帶，從而有效地讓所有材料的吸收同一化，這個過程而與波長無關。然而在實驗中我們發現，對于聚合物而言則不是這樣！
使用綠光或紫外波長還可以最大程度地提高處理焦點深度，正如我們上文已經提到過的那樣，這是維持生產過程的關鍵因素。
與飛秒激光一起加工聚合物
我們的測試表明，飛秒激光顯然是聚合物加工可選范圍內的正確工具。為了提高表面去除速率，我們傾向于使用40-100mJ的中程脈沖能量和200-500kHz之間的較高頻率。同樣地，我們發現使用較短的綠光和紫外線波長具有明顯的優勢：表面去除率和表面光潔度頗高，加工窗口大。
當然，每種應用都是不同的，并且總是會有預算限制等因素會影響設備企業對激光器的選擇。所以，我們建議，在投入生產之前需要確保進行足夠的測試，從而確保能夠針對特定過程和生產要求找到最佳激光光源選擇。
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