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飞秒激光器在医疗与工业领域中的应用 |
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newmaker |
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引言
飞秒激光是脉冲宽度小于10-12秒的激光器，此类激光器因其高重频，超短的脉冲宽度，极高的峰值功率等显著特点而倍受关注。国外几大激光巨头也纷纷推出自己的拳头产品，可谓是百花齐放，百家争鸣。而对于使用者，消费者则不能随感而发，挑花了眼，应该冷静，千万要冷静，保持一颗理性的头脑，根据自己的需要，从中选择适合自己应用的产品。接下来，我们就以Jenoptik Laser公司的D2.fs飞秒激光器为例，来看看这款激光器适用在那些领域。
医疗应用
社会在发展，越来越多的人坐在电脑前从事脑力劳动。高科技在提高生产力的同时，也造就了更多的近视患者。目前约有近四亿近视患者，并以每年3000万的速度逐年递增，因此，近视治疗是一个相当大的市场。激光治疗近视，这个词语大家并不陌生。早在1985年，准分子激光就被应用于临床治疗近视。其过程是，先用超薄板层刀切进行切瓣，再用准分子激光在角膜上扫描出一个凹透镜，从而改变其屈光度，达到治疗近视的目的。
准分子激光手术原理示意图
然而，任何手术都是有风险的，近视治疗80％的风险存在于制作角膜瓣的过程中，因为传统的制瓣过程是由人操作金属角膜刀完成的，人为失误和机械故障无法控制。而飞秒激光制瓣技术，抛弃了传统手术制瓣使用的金属角膜刀，代之以完全由电脑控制的飞秒激光制瓣，使制瓣过程的安全性发生了质的突破。
飞秒激光制作角膜瓣时预先设置角膜瓣的厚度、直径、形状及膜瓣蒂的位置和宽度等参数，在计算机程序的精确控制下作角膜瓣。与常规的机械角膜板层刀相比，飞秒激光的优势体现在：
①用飞秒激光制作的角膜瓣不会出现纽扣瓣、游离、破碎等情况，角膜瓣厚度各处相同，均匀一致；而微型角膜刀制作的角膜瓣一般都存在周边部稍厚，中央部较薄的情况，很难做到中央部与周边部厚度一样的板层角膜瓣，因此角膜刀切瓣的术后复位固着性不好。
飞秒激光和角膜刀制瓣的切削层对比
②定量控制，能够将角膜厚度精准控制在微米级别，精确度比板层刀高出数倍。通常要求厚度为90~100μm的角膜，误差能达到10μm以内，而板层刀精确度为30～45μm。
③避免了刀片导致的交叉感染可能性；
④由于角膜瓣切削的深度均匀，损伤的神经和血管较少，所以飞秒激光将术后干眼症减少了72%；
⑤飞秒激光制作角膜瓣的LASIK（激光原位角膜磨镶术）手术较之普通LASIK，造成的散光和高阶波前像差较小，对LASIK术后的视功能有重要意义。
⑥过去受角膜厚度影响，有近10%的患者因近视太深、角膜太薄，基本无法接受传统的LASIK等激光手术。而飞秒激光能够克服该缺点，即使是薄的角膜，一样能够处理。
综合上述优点，飞秒激光开始替随着医代已沿用二十年多的金属角膜刀，担负起LASIK手术中最为关键的制作角膜瓣任务，将激光治近视手术带入纯激光时代。
那说了这么多，大家要问，什么样的飞秒激光才能用来进行手术制瓣呢？说白了就是光源选择问题。
实际的临床需要对飞秒激光的脉冲宽度并不敏感，只要<1ps即可（实验证明，只要脉冲宽度<1ps，激光产生的热效应就几乎没有），但是对能量，频率，和稳定性提出了较高要求。功率要求单脉冲能量>6μJ，频率越高，工作效率越高，制瓣时间越短。综合以上要求看来，Jenoptik Laser公司的D2.fs激光器是不错的选择（单脉冲能量20μJ，频率200KHz，5~6秒即可完成制瓣工序，比普通的飞秒激光制瓣高出数倍）。况且单脉冲能量μJ级的激光器往往价格不菲，相比之下，D2.fs的价格和稳定性都是非常有竞争力的。D2.fs是以免维护的光纤飞秒激光器作为放大种子源，性能稳定，能适应相对恶劣的环境。
医疗器械的稳定性直接关系到医疗安全性，功率的随环境变化过大，脉冲之间能量差异明显，都会影响最终的使用效果。
Jenoptik Laser公司的D2.fs飞秒激光器
长时间功率稳定性曲线
从长期监控效果来看，D2.fs激光器的功率稳定性都相当不错，几乎没有变化。上图我们看到的是长期的平均功率波动情况，那么脉冲之间的能量对比的高频稳定性又如何呢？
脉冲稳定度对比
如图所示，每个脉冲的高度都几乎相同，D2.fs的单脉冲能量也极其稳定。如此，才能在制瓣程序中加工出均匀的微点。
飞秒激光制瓣原理
虽然激光治疗近视已被大家熟知，但目前已接受近视治疗的不到二百万人，占患者总数比例不到百分之一，近视的治疗比例还很低。因此，虽然近视治疗的市场潜力巨大，但还需要解决两个方面的问题，一是安全性，这个除了对医生的技术水平提出一定要求以外，还对激光器的稳定性提出了更高的要求，另一个方面就是价格，激光器成本过高，转嫁给患者的费用就高，导致治疗费用过高（治疗费大约1万元），未能被广大患者接收。德国Jenoptik公司推出的D2.fs飞秒激光器即保证了稳定性和安全性，又使整机的集成成本大大降低，为激光治疗近视手术的普及和推广带来了希望。
在医疗领域，D2.fs除了应用于眼科手术以外，还应用于其他的显微外科中，例如纳米切割人体染色体和非热性手术切割烧蚀脑组织样品等，在涉及到微细组织结构的治疗中，D2.fs飞秒激光器都有其用武之地。比较典型的应用是心血管支架的加工。
激光加工的心血管支架
工业应用
心血管支架虽应用于医疗领域，而本身却是工业加工的产物。通常，心血管支架长度5～30mm，直径2～5mm，厚度约0.1～0.2m，支架壁都是按照各公司自行设计旨在提高抗压力和药物涂层黏着力的复杂图案，非常精细，而且不能有裂纹，边缘必须干净，没有渣滓或毛刺附着。以前的心血管支架的加工是由高光束质量的光纤纳秒激光器来完成的，但是纳秒激光器并不能实现冷加工，也不能实现微米级的加工，因为其光斑就已经达到十几微米，对于冠心病这种要求更细小心血管支架（20μ～300μm），显然是不能满足需求的。D2.fs激光器是飞秒脉冲，被激发的高能态电子没有足够的时间将能量传递给晶格，因此，D2.fs能够实现真正的冷加工。D2.fs极高的峰值功率使其能在加工点中心形成多光子吸收，从而能够在聚焦光斑覆盖的的材料中心部分实现更高的去除率。
因此，飞秒激光代表了心血管支架加工的发展方向，也是精细加工领域的发展趋势。
精细加工要求单脉冲能量达到μJ，以实现材料的消除；要求高频率以保证高的工作效率。下面我们看一下D2.fs激光器的主要参数：
1025nm的波长保证了该激光能很好的被金属和大多数非透明材质的非金属所吸收，单脉冲能量也完全能够满足去除材料的要求，200KHz的重复频率能够保证精细加工的高效率进行，400fs的则能够实现高峰值功率和冷加工效果。因此，从参数上来看，该激光器应用于工业精细加工没有问题。
D2.fs激光器的工作原理是以光纤激光器做为振荡器的Yb:KYW薄片激光器作为放大级的，整个结构设计紧凑。而且专门为满足工业应用的需求，Jenoptik Laser公司还升级了该产品在恶劣条件下的稳定性能。
温度变化对激光器功率影响曲线图
上图中，红线代表温度的急剧变化（5℃～35℃），蓝线代表平均功率波动情况，由图中我们可以看出，不管外界环境温度变化如何恶劣，激光器的功率变化也不超过10%。经过了恶劣环境的洗礼，D2.fs的稳定性和可靠性是毋庸质疑的，而且该产品性价比极高，非常适合工业级应用。(end)
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(5/13/2011) |
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