超快激光器打造超精密加工工具

 
[paragraph]超快激光器也为脉冲激光沉积提供了新的转折点。纳秒激光脉冲已经成为薄膜沉积的标准，但是它们会将10μm的颗粒溅射到薄膜上。当爱尔兰圣三一学院（Trinity College）的研究人员检查纳秒脉冲从银靶上产生的流量时，他们发现离子流量超过了沉积速率，这表明在表面产生了一些自溅射。然而，他们发现飞秒脉冲产生的离子流量只有沉积速率的1%，这表明大部分烧蚀材料形成了纳米粒子。[6]其他研究表明，飞秒脉冲产生的纳米粒子的大小取决于激光通量、气体环境和加工材料。加拿大Ryerson University的研究人员表示，飞秒脉冲容易产生大量致密、纠缠的石英纳米纤维。将掺镱光纤激光器发射的重复频率为12.4MHz的214fs的脉冲序列，以1.17J/cm2的强度聚焦到硅上，可以产生四种类型的纳米纤维丝。其中直径最大的为几百纳米，长度达10mm；最细的纤维直径为几十纳米，长度延伸到数百微米。然而，纤维的缠结使研究变得更加困难。[7] 
 
医学应用 
 
超快脉冲能够干净地实现切割加工，并且不破坏周围区域或形成粗糙的边缘，这对加工医学植入物和实施精细手术至关重要。 
 
对于在动脉阻塞中插入支架和伸缩管、打通动脉以恢复血流来说，光滑的表面尤其重要。人体有时会对植入物起反应，在支架上生长疤痕组织，这会重新阻塞动脉。用超快激光器加工各种材料制成的支架，可以产生非常光滑的表面，从而减少了疤痕组织生长的机会。 
 
在LASIK（激光原位角膜磨镶术）屈光手术中，在角膜表面切割皮瓣以暴露内部组织的应用中，飞秒激光器也已成为标准工具。其主要吸引人之处在于能够比传统手术更准确地切割皮瓣。 
 
现在眼科医生正在将飞秒激光技术扩展到用于实施白内障手术。其中的一个目的是软化眼球晶状体中引起白内障的硬核，从而可以很容易地将其去除；另一个目的是实施去除眼球晶状体所需的切割，并在对眼球其他部位伤害最小的情况下插入替换物。目前有三家公司正在研发可用于上述两种手术的飞秒激光系统。[8] 
 
目前的研究结果非常鼓舞人心。在去年10月举行的美国眼科学会会议上，迈阿密大学医学院Bascom Palmer眼科研究所的研究人员报道说，飞秒激光治疗减轻了手术要求，并且减少了晶状体去除过程中的超声暴露。在同一次会议上，俄勒冈健康与科学大学的研究人员报道说，飞秒激光手术避免了关键角膜内皮细胞的损伤，而传统的白内障手术会造成这种损伤。 
 
展望 
 
超快激光加工在很大程度上归功于皮秒激光器和飞秒激光器的产业化，从而使得非专业人员可以在工业和医学环境中使用它们。到目前为止，超快激光器在一些特定应用中已经非常成功，但是其成本和材料去除速度方面仍然存在很大的局限性。然而无论如何，超快激光器在性能上的优势，对于像医疗植入支架和精细眼科手术这样高要求的应用来说，还是非常引人注目的。 
 
参考文献 
1. P. Targowski et al., "Picosecond laser ablation system with process control by Optical Coherence Tomography," Proc. SPIE, 7391, 7391-15 (2009). 
2. IMRA, Technical Note T-0401, "High Precision Machining"; http://www.imra.com/pdf/TechNoteT0401.pdf. 
3. S. Hermann et al., "Picosecond laser ablation of SiO2 layers on silicon substrates," Appl. Phys. A, 99, 151–158 (2010); doi:10.1007/s00339-009-5464-z. 
4. B. Li et al., "Femtosecond laser fabrication of long period fiber gratings and applications in refractive index sensing," Optics & Laser Technol., 43, 1420–1423 (2011). 
5. L.A. Fernandes et al., "Femtosecond laser fabrication of birefringent directional couplers as polarization beam splitters in fused silica," Opt. Exp., 19, 11992 (June 20, 2011). 
6. I. Mirza and J.G. Lunney, "Fabrication of metal nanoparticle films using pulsed laser deposition," 30th ICPIG, Belfast, Northern Ireland, UK (Aug. 28–Sept. 2, 2011); http://mpserver.pst.qub.ac.uk/sites/icpig2011/187_D13_Mirza.pdf. 
7. K. Venkatakrishnan et al., "Nanofibre fabrication by femtosecond laser ablation of silica glass," Opt. Exp., 19, 15776 (Aug. 15, 2011). 
8. L. He, K. Sheehy, and W. Culbertson, "Femtosecond laser-assisted cataract surgery," Current Opinion in Ophthalmol., 22, 43–52 (January 2011); doi:10.1097/ICU.0b013e3283414f76.