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美国团队利用激光束整形技术，大幅缩短光纤医疗设备制造时间

时间：2022-08-24 18:17:03 来源： OFweek激光网

近日，美国赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)的专家们利用激光束整形技术，使光纤医疗设备的制造时间缩短到以前所需时间的一小部分。

该设备可用于癌症等多种疾病的诊断和治疗，包括癌症检测和激光手术。以往，这类设备需要像显微镜一样由微型光学透镜、镜子和棱镜组成的复杂系统，而制造它们的过程非常昂贵，每台设备都要花费数小时，而且增加了成本，这些因素限制了它们的使用。然而，赫瑞瓦特大学开发的一种新技术，通过利用激光束整形将这一过程大大缩短到仅需几分钟。

具体而言，赫瑞瓦特大学的研究人员在激光增强化学蚀刻的演示中改进了光纤内窥镜，并开发了一种方法，在蚀刻类似结构之前可以显著加快硅块的3D图案化。

这种内窥镜是一种直径1.5毫米的商用单聚合物纤维，它不是单芯，而是有13000个平行的核心，这样就可以在一端看到另一端的图像。在使用过程中，照明是通过从观察端向下照射光线来提供的，并且会显示从光纤尖端接触的任何地方反射回来的东西。

但是，该大学表示，当照明需要靠近光谱的紫色端时（例如对基于荧光的检查），光纤聚合物本身会发出荧光并破坏返回图像的对比度。

研究小组对此观察得出结论称，使用外层的几层纤维(约占13000层纤维的18%)从观察端发送光线，并使用中间的82%(直径约1.4毫米)用于观察。使用这种技术要求从被照明的外环中发出的光在纤维的末端通过90°向内反射，从而在光纤的表面形成一层照明发光。

之后，由Robert Thomson教授领导的研究小组制造了一个悬垂的45°圆形镜面，它可以滑过光纤束的末端并粘合到位。在这种情况下，镜子的结构是由一块二氧化硅蚀刻而成的，并通过激光抛光和金属涂层进行后处理，使其具有反射性。通过在其表面移动激光，激光增强蚀刻开始于暴露原始硅块上，并且聚焦在不同的深度。

实验显示，通过正确平衡激光曝光和蚀刻条件，与未被激光曝光的需要材料相比，不需要的材料会优先以1000：1的速度被去除。

它与传统光刻相比的优势是，激光可以到达硅层的毫米级，允许在一个写入步骤中定义一个相当大的3D结构，之后可以在一个蚀刻步骤中释放。该小组通过远离书写激光束上能量的自然高斯分布，并给它一个高斯-贝塞尔能量剖面，从而将激光曝光过程加快了12倍。

赫瑞瓦特大学研究团队使用一个平面空间光调制器上的二维相移模式创建了一个虚拟轴透镜——在这种情况下，一个反射式调制器直径为1200×1000像素，每个12μm。根据该大学的说法，高斯-贝塞尔光束可以在72秒内写出结构，而使用高斯光束可以在15分钟内写出结构。

这一突破是在一份关于该大学获得的一项拨款影响的报告中披露的。据介绍，这项为期5年、价值130万英镑的4MD平台基金项目由英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)资助，后者是英国研究与创新署（UK Research and Innovation，UKRI）的一部分。据悉，该基金后续将为大学提供更多的资金，帮助它建立一个医疗设备制造中心。

负责领导该项目的赫瑞瓦特大学Robert Thomson教授指出，越来越多的微型设备被用于微创测量和治疗，例如癌症检测和精密激光手术。可惜到目前为止它们的生产成本非常高，不用于医院和诊所。为了推广使用最先进的设备，提供低成本和高度可重复的制造解决方案至关重要。

而在他们的项目中，上述团队利用激光束整形技术取得了重大的制造方面的进步。这使他们可以控制焦点体积的形状，因此在制造过程中更有效地使用可用的激光脉冲能量。他指出：“我们已经克服了使用超快激光刻蚀技术制造光纤医疗器械远端微系统的一个主要缺陷。”


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