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超快激光技術(shù)特點(diǎn)
在工業(yè)上，激光按出光時(shí)間，可分為連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、短脈沖、超短脈沖四種。“超快激光”是指輸出激光的脈沖寬度在10-12s即皮秒級(jí)別，或小于皮秒級(jí)別的脈沖激光。對(duì)于脈寬介于幾十和1納秒之間的激光，一般稱(chēng)之為亞納秒激光。超快激光產(chǎn)生的超短脈沖與材料相互作用時(shí)間極短，能夠在熱擴(kuò)散發(fā)生之前有效地將激光能量輸送到材料中。與長(zhǎng)脈沖激光器相比，超短脈沖激光器在多光子電離和電子到晶格的能量轉(zhuǎn)移方面是獨(dú)一無(wú)二的，加工產(chǎn)生的熱損傷可忽略不計(jì)，因此也被稱(chēng)為冷加工。超快激光是激光領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一，作為一種新興的技術(shù)手段，在精密微細(xì)加工方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。
圖1. 不同材料的超快激光-材料相互作用原理
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超快激光增材制造
增材制造 (AM) 已成為 3D 制造具有任意幾何形狀的物體的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。將超快激光用于增材制造，為難加工材料、透明材料以及微米和納米制造的下一代制造技術(shù)提供了可能性。
圖2. 通過(guò)超快激光器選擇性激光熔化（SLM）制造銅零件
雙光子聚合（2PP）是一種微納3D打印技術(shù)，通過(guò)使用飛秒脈沖激光選擇性固化感光樹(shù)脂，類(lèi)似于光固化快速成型，但2PP 3D打印技術(shù)能夠以幾百納米的分辨率生產(chǎn)復(fù)雜的三維（3D）結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)光固化成型技術(shù)精確度高了幾百倍。奧地利學(xué)者Aleksandr Ovsianikov使用雙光子聚合技術(shù)設(shè)計(jì)合成了每個(gè)端基上帶有三個(gè)丙烯酸酯基團(tuán)的六官能氨基甲酸酯基遙爪聚己內(nèi)酯（PCL）。這種能滿(mǎn)足分辨率需求的可生物降解材料可以用于生物醫(yī)用型微支架制造，在組織工程領(lǐng)域有重大應(yīng)用潛力。
圖3. （a）2PP流程的簡(jiǎn)化示意圖（b,c）基于UPCL-2微結(jié)構(gòu)的SEM圖像（d,e）基于UPCL-6微結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
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超快激光切割
心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械切割。但使用普通激光通過(guò)燒蝕融化來(lái)加工，存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問(wèn)題。利用超快激光對(duì)血管支架進(jìn)行切割加工時(shí)，不僅可以得到高質(zhì)量切割平面，同時(shí)可以保證切割面熱影響區(qū)小、切縫準(zhǔn)確、表面光滑等。
表1. 血管支架加工材料及激光方法
同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)金屬支架存在的問(wèn)題，研究人員開(kāi)始關(guān)注生物可降解聚合物血管支架的研發(fā)。其中高分子聚合物是非金屬可降解支架的常用材料。Stolberg等為解決材料熱效應(yīng)敏感問(wèn)題，利用飛秒激光結(jié)合多重消融加工的方式，切割制備出方形PLLA薄片，使其熱影響區(qū)得到很好的控制。
圖4. 飛秒激光切割高分子聚合物材料有聚左旋乳酸(PLLA)
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超快激光微焊接
對(duì)玻璃等透明固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，超短脈沖激光在介質(zhì)中傳播會(huì)出現(xiàn)非線性吸收、熔化損傷、等離子體形成、燒蝕、光絲傳播等多種現(xiàn)象。超快激光玻璃微焊接技術(shù)正是基于超快激光能量非線性吸收機(jī)制，使異種材料在結(jié)合界面微小尺度范圍內(nèi)等離子體化后再重構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。Octav P. Ciuca等使用皮秒激光進(jìn)行了鋁與玻璃的焊接，實(shí)現(xiàn)了金屬與玻璃之間焊接的突破性技術(shù)。
圖5. 皮秒激光焊接金屬和玻璃
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超快激光制備表面微結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)雖然可以提高材料表面的生物活性，但其工藝復(fù)雜，加工后的材料表面性能不穩(wěn)定。激光微加工技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，可以在植入物表面制備出微觀三維立體結(jié)構(gòu)，且改性后的植入物表面性能穩(wěn)定，對(duì)基體影響小。王瑞等研究了超快激光加工技術(shù)在Ti6Al4V合金表面改性中的作用，在打磨光滑的鈦合金表面利用飛秒激光加工微觀結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)激光加工改性后的鈦合金表面生物相容性有所提高，有利于細(xì)胞的增殖分化并促進(jìn)種植體的骨整合能力。
圖6. 飛秒激光制造表面微納結(jié)構(gòu)
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總結(jié)
目前，隨著微加工技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的最小特征尺寸不斷減小，進(jìn)一步提高加工精度和質(zhì)量一直是待突破的難題。超快激光加工技術(shù)在微加工領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)越來(lái)越受到業(yè)界和學(xué)者的關(guān)注。制造業(yè)的蓬勃發(fā)展以及對(duì)更高性能材料的追求，必將使得加工方法同樣快速發(fā)展。
