在过去的几年中，我们发现超短脉冲（USP）激光已经越来越多地被用于医疗器械的制造，从支架和导管到剥线和球囊纹理化，到处都可以见到USP激光的身影。

上述所提及的精密医疗器械，其所需的质量和尺寸精度水平与USP激光器非常吻合，USP激光器在塑料，以及金属和塑料组合材料的钻孔、切割、打磨、纹理加工以及机械加工方面表现出色。

作为拥有自己的应用实验室的独立激光集成商，AmadaMiyachiAmerica公司在测试中筛选出了最适合医疗器械加工的激光器，AmadaMiyachiAmerica已经对用于聚合物加工上的USP激光器进行了测试，并希望分享我们的一些发现和成功建议。

聚合物加工的关键激光参数

在实验过程中，我们发现，对于医疗器械的聚合物处理而言，最重要的考虑因素是脉冲宽度，脉冲能量和频率以及波长。这些因素将很大程度上的影响最后获得的加工成果，所以要十分注意。

脉宽

在实验中，我们使用了相同的脉冲宽度可调的激光器，分别对300飞秒（fs）到10皮秒（ps）的脉冲宽度进行了测试，在我们可控范围内让所有其他光束参数都尽可能相等，从而让实验数据更加客观真实。图1显示了使用不同脉冲持续时间的加工通道的横截面，并显示了加工通道深度。第一排是氟化乙烯丙烯（FEP）材料，第二排是聚四氟乙烯（PTFE）。

图 1 使用不同脉冲持续时间的加工通道的横截面

测试表明，基于材料去除率，飞秒脉冲持续时间是最佳选择。同时，实验发现较短的飞秒脉宽始终能够提供出色的加工质量，因为使用飞秒加工的材料去除过程是纯升华去除过程，属于一种冷加工。由于冷加工不涉及熔化，因此不会存在顶部或底部侧面出现毛刺的问题，并且使用飞秒激光可以更精确地控制和适应加工尺寸。而相比飞秒激光而言较长的皮秒脉冲宽度，尽管也能提供不错的质量，但加工成品中出现了毛刺效果，这表明在实验过程中某些材料受热熔化。

脉冲能量和频率

在实验过程中，我们不禁自问：“究竟是使用较低频率的较高脉冲能量比较好，还是使用较高频率的较低脉冲能量比较好？”为了得到明确的答案，我们在20W的恒定平均功率和290飞秒的脉冲宽度下测试了三种脉冲能量水平。

图2中显示了三种脉冲能量/频率组合的FEP塑料多道划线的数据。左图显示了通过次数的划线深度，右图显示了通过次数的划线的体积清除率。我们发现，使用40mJ/500kHz的低能量/高频率到大约0.5mm的深度时，多道划线的深度和体积去除效果都更好。

图 2 三种脉冲能量 / 频率组合的 FEP塑料多道划线的数据

当划痕的较窄宽度超出此0.5mm的范围时，则可能会阻止能量到达更深的位置。使用200mJ的较高脉冲能量后，则开始能够产生更宽的划线，较宽的脉宽能让激光能量进入划线的底部更深的部分，并能随着更多的能量通过率来以线性速率继续增加划线深度。

除了上述发现以外，我们还发现了：使用较高的脉冲能量会增加焦点的加工深度，所以沿着聚焦轴的零件位置进行公差增加是十分必要的，因为过程不合规格的最常见问题是：如何保持焦点相对于零件的位置。

波长

我们的波长测试考虑了两个关键点：对于相同的光学参数设置，较长的波长使用了较高的平均功率和脉冲能量，较短的波长则使用了较小的光斑大小。这意味着几乎不可能建立绝对的只关于波长与波长之间比较的测试。

因此，我们关心的点在于：哪种波长（红外、绿光或紫外）才是去除率、质量和加工范围的最佳解决方案？于是，我们着手在三个波长之间进行了一个完完全全的最佳处理性能测试，从而给Pebax®（一种阿科玛公司的刚性的聚酰胺嵌段和软聚醚嵌段组成的嵌段共聚物产品，多用于心脏外科导管制造）带来“良好”的质量特征。

图3 去除率与质量之间的关系有利于绿光和紫外波长

图3显示了我们的结果，它清楚地表明了去除率与质量之间的关系有利于绿光和紫外波长。图中横截面显示的流明中的特征是紫外波长的结果。我们发现，当我们在使用较高的红外波长脉冲能量/平均功率时，红外波长脉冲的能量往往会使材料过热，而并没有让去除率增加。在比较之中，我们没有发现绿光和紫外的在去除率方面有很大的不同，但是紫外波长确实显示出更好的特征表面光洁度和更少的碎屑。

我们最初认为，飞秒脉冲通过有效地用光子雪崩把材料拍打成顺带，从而有效地让所有材料的吸收同一化，这个过程而与波长无关。然而在实验中我们发现，对于聚合物而言则不是这样！

使用绿光或紫外波长还可以最大程度地提高处理焦点深度，正如我们上文已经提到过的那样，这是维持生产过程的关键因素。

与飞秒激光一起加工聚合物

我们的测试表明，飞秒激光显然是聚合物加工可选范围内的正确工具。为了提高表面去除速率，我们倾向于使用40-100mJ的中程脉冲能量和200-500kHz之间的较高频率。同样地，我们发现使用较短的绿光和紫外线波长具有明显的优势：表面去除率和表面光洁度颇高，加工窗口大。

当然，每种应用都是不同的，并且总是会有预算限制等因素会影响设备企业对激光器的选择。所以，我们建议，在投入生产之前需要确保进行足够的测试，从而确保能够针对特定过程和生产要求找到最佳激光光源选择。