Spectra-Physics, Feldgut 9, Rankweil 6830, Austria

摘要

數(shù)十微焦(μJ)脈沖能量的高平均功率、高重復(fù)頻率的飛秒激光被廣泛用于生物醫(yī)療和材料加工的應(yīng)用中。飛秒激光在材料加工中獨(dú)一無二的優(yōu)點(diǎn)在于它高效、快速和局部的能量積沉，使其能在幾乎所有的固體材料加工中達(dá)到高效和精確的燒蝕。在本篇論文中，我們將會講解微加工應(yīng)用的整體情況，通過Spectra-Physics公司的高功率與高能量Spirit® HE激光器。特別是，高效、高質(zhì)量的激光加工在生物可吸收聚合物與玻璃材料的應(yīng)用條件產(chǎn)生的影響。

1.簡介

飛秒激光系統(tǒng)在很多材料加工應(yīng)用中展示了它們的潛力。飛秒激光獨(dú)特的優(yōu)勢，如高燒蝕效率與金屬燒蝕結(jié)構(gòu)精度以及電極目標(biāo)已被許多研究證實(shí)。盡管加工質(zhì)量達(dá)到了工業(yè)級需求，為了飛秒激光在工業(yè)應(yīng)用中更加經(jīng)濟(jì)，其加工效率還是有待提高[1,2]。為了使零件加工快速同時成本效益高，就需要高平均功率、高重復(fù)頻率的飛秒激光系統(tǒng)。此外，激光系統(tǒng)必須足夠穩(wěn)定耐用以承受生產(chǎn)車間的加工需求。對于符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的激光器，穩(wěn)定性和可靠性是十分重要的兩個特質(zhì)。引進(jìn)了飛秒激光器后，例如由Spectra-Physics開發(fā)的Spirit®平臺，使用飛秒激光進(jìn)行多種材料微加工，可以為工業(yè)應(yīng)用帶來全新的視角。[3-5]。

本文將討論飛秒激光在工業(yè)中的兩種應(yīng)用。首先將展示的是生物可吸收聚合物的微加工，常常用于生物可降解支架的生產(chǎn)。加工參數(shù)包括脈沖寬度，激光重復(fù)率，激光波長和激光脈沖能量等對激光加工應(yīng)用于生物可吸收聚左乳酸聚合物的效率和質(zhì)量的影響已有很多研究。

第二個在本文中要討論的飛秒激光應(yīng)用，是用非燒蝕激光加工透明材料。此次將展示一種非燒蝕性飛秒工藝，由Spectra-Physics開發(fā)的ClearShapeTM，用于以最高質(zhì)量和速度來加工透明、脆性材料。

2. 激光系統(tǒng)

本論文展示的結(jié)論是通過使用Spectra-Physics的Spirit® HE激光器進(jìn)行試驗而得出。

Spirit®HE激光器的緊湊型設(shè)計堅固耐用，可靠性高，脈沖持續(xù)時間<400 fs，脈沖能量> 120μJ，平均輸出功率高達(dá)30 W. 這款激光器在520和1040 nm波長、340 飛秒到10皮秒之間有可編程脈沖能量，重復(fù)率和脈沖寬度的工藝靈活性。Spirit® HE激光器的一個非常實(shí)用的特征是微加工應(yīng)用中的突發(fā)脈沖模式運(yùn)行。飛秒脈沖能以突發(fā)脈沖串的形式出現(xiàn)，可以承受多達(dá)20個脈沖。一個突發(fā)脈沖里的脈沖之間的時間寬度約為13納秒，一個突發(fā)脈沖中的脈沖數(shù)量和強(qiáng)度輪廓是可以控制的。

3. 應(yīng)用

3.1． 可植入支架的微加工

幾乎從一開始，支架制造就運(yùn)用了納秒激光切割技術(shù)。然而，納秒激光與金屬的相互熱作用通常使加工完的金屬表面達(dá)不到最理想，毛刺、熔化和重鑄都是激光熔融切割的標(biāo)準(zhǔn)特征。此外，材料中熱積沉在切口旁邊產(chǎn)生了熱影響區(qū)（HAZ）。在熱影響區(qū)中，材料的物性或構(gòu)成會被改變。因此，清潔、去毛刺、蝕刻和最終拋光因此也被納入常規(guī)加工工序中，使支架表面性能達(dá)到植入設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)水平，而通過使用飛秒激光進(jìn)行支架加工可以避免一些前面提到的后加工步驟。圖1顯示了由Spirit®激光加工的鎳鈦諾微型支架。關(guān)鍵特點(diǎn)包括嚴(yán)密的加工公差、無熱影響區(qū)，脆性晶格結(jié)構(gòu)無熱誘導(dǎo)變形，以及非常干凈的切割邊緣。

生物可吸收材料是一類非常有趣的化合物，因為它們可以隨著時間的推移被人體所吸收[6]。用生物可吸收材料做出的支架有助于避免一些使用金屬支架時會產(chǎn)生的內(nèi)科并發(fā)癥。生物可吸收聚合物在生物可降解支架生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)不斷地在引起外界對生物可吸收聚合物微加工的關(guān)注。用何種激光加工支架取決于材料種類與切割細(xì)節(jié)，由于生物可吸收聚合物的熔點(diǎn)很低（通常低于200 C°），激光加工時周圍環(huán)境的任何熱負(fù)荷都應(yīng)該減少到最低。由于激光材料耦合的非熱性質(zhì)以及構(gòu)造非常小的微米尺度的可能性，因此使用超快激光脈沖用于生物可吸收聚合物的微加工是非常適合的。

Spirit®HE激光系統(tǒng)已被用于研究通過單掃描消融來切割80μm厚的生物可吸收材料聚左乳酸（PLLA）帶的可行性。使用光學(xué)顯微鏡研究了加工質(zhì)量，圖3總結(jié)了在無熱式（無HAZ，無熔融，無重鑄等）機(jī)器框架內(nèi)最大切割速度，波長和脈沖寬度值都是實(shí)驗中用到的函數(shù)關(guān)系。為了提高激光切割性能，要使用6巴壓力的氦氣作為輔助氣體。

結(jié)果顯示，切口效果和最大切割速度很大程度上取決于選擇用于加工PLLA材料的激光參數(shù)，使用波長520nm、脈沖能量44µJ、340飛秒的激光脈沖切割厚度為80µm的PLLA帶，最大切割速度可達(dá)到每秒50mm。獲得的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了Spirit®HE用于聚合物切割應(yīng)用時的高脈沖能量的重要性，50mm/s的切割速度比以前的Spirit ®1040-8-SHG激光器高3倍以上，后者在520nm處具有最大脈沖能量為20μJ[5]。

3.2. 透明、脆性材料切割

雖然飛秒直接消融方法提供了高質(zhì)量的激光切割，但在玻璃材料的情況下，我們的研究結(jié)果表明，300μm和1mm之間厚度的切割速度低于1mm/s[7]，顯然這對制造商們并無太大吸引力。由Spectra-Physics開發(fā)并擁有專利的基于非燒蝕方法的ClearShape™工藝，與直接消融技術(shù)相比，可以提高速度并進(jìn)一步提高質(zhì)量。

例如，切割康寧的厚度為0.55毫米化學(xué)強(qiáng)化大猩猩玻璃，應(yīng)力層深度（DOL）為20μm，速度可達(dá)4米/秒。除了切削自由邊緣，使用ClearShape工藝實(shí)現(xiàn)了激光切割（由截面的平均粗糙度定義）<0.1μm的質(zhì)量（見圖四，左）。非常高的切割質(zhì)量使在玻璃的四點(diǎn)彎曲試驗期間達(dá)到了700MPa的極高的彎曲強(qiáng)度，而無須任何后處理步驟（圖4，右）。

除了化學(xué)強(qiáng)化和非強(qiáng)化的玻璃之外，還可以加工透明材料如藍(lán)寶石和碳化硅。在我們以前的論文中也探討過ClearShape加工來實(shí)現(xiàn)直線或曲線切割的加工[5]。

4. 結(jié)論

生物可吸收材料在支架制造中越來越受歡迎。生物可吸收的PLLA聚合物的激光燒蝕是使用了340飛秒，800飛秒和10皮秒激光脈沖來進(jìn)行試驗，無熱切割的最大可能速度值作為激光加工中的激光脈沖的波長與脈寬的函數(shù)，是可以從實(shí)驗中得到的。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、無熱加工結(jié)果，使用Spectra-Physics的波長為520nm的Spirit®HE激光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)加工80μm厚的PLLA帶高達(dá)50mm/s的最大切割速度。此外，我們的實(shí)驗表明，生物可吸收聚合物的切割速度可以在施加高能飛秒脈沖而不損失質(zhì)量的情況下增加。根據(jù)實(shí)驗的結(jié)果，脈沖能量高于40μJ的520 nm的較短脈沖（約340 fs）對生物吸收性聚合物的激光微加工具有很高的加工效率和質(zhì)量。

通過應(yīng)用Spectra-Physics開發(fā)的ClearShapeTM工藝， Spirit®HE飛秒激光也用于切割透明，脆性材料如玻璃、藍(lán)寶石和碳化硅。該加工可以通過使用波長為1040nm的相對低的平均功率<4W來切割玻璃，從而不需要更難以處理的高功率、高次諧波的激光輻射，例如綠色或紫外激光。我們的研究結(jié)果表明，Spirit飛秒激光與新穎的ClearShape工藝相結(jié)合，為客戶所需的最高加工速度下的各種透明、脆性材料的最高質(zhì)量加工提供了最佳解決方案。

參考文獻(xiàn)

1. Dausinger, F., Lichter, F., Lubatschowski, H., 2004. in „Femtosecond Technology for Technical and Medical Applications”, Springer.

2. König, J., Nolte, S., Tünnermann, A., 2005 Plasma evalution during metal ablation with ultrashort laser pulses, Optics Express 13, 10597-10607.

3. Matylitsky, V.V., Kubis, P., Brabec, C.J., Aus der Au, J., 2012. High Q femtoREGEN™ UC laser systems for industrial micro-processing applications, Proceedings of SPIE 8247, 82470H-1-7.

4. Hendricks, F., Patel, R., and Matylitsky, V.V., 2015. Micromachining of bio-absorbable stents with ultra-short pulse lasers. Proceedings of SPIE 9355, 935502

5. Matylitsky, V.V., Hendricks, F., 2015. Femtosecond laser machining of transparent, brittle materials: ablative and non-ablative femtosecond laser processing. Proceedings of ICALEO 2015, Atlanta, USA, paper M405.

6. Wang, Y., Castro, D., Limon, T., and Rapoza, R., 2012. Bioabsorbable stent development: the past, present, and future. Int Med Devices Conf Exposition. 7, 1-8

7. Hendricks, F., Aus der Au, J., Matylitsky, V.V., 2014. High Aspect Ratio Microstructuring of Transparent Dielectrics using Femtosecond Laser Pulses: Method for Optimization of the Machining Throughput, Appl. Phys. A 117, 149-153.