백서

의료장치 산업의 과제:
이종 금속의 가는 와이어 용접

개요

스텐레스 강철 또는 니티놀은 의료장치에서 널리 사용되는 재료입니다. Coherent의 응용 전문가들은 이러한 용접하기 까다로운 재료로 제작된 가는 와이어를 안전하게 용접하는 프로세스를 개발했습니다. 이 프로세스는 플라스틱 코팅을 파괴하지 않고도 수행할 수 있습니다.

Laser Modulation
Two-Photon Microscopy

"Integration of fast power modulation in the laser system enables faster setup time, highest performance, and low cost of ownership."

의료장치용 마이크로 용접

레이저 용접은 임플란트 또는 내시경 기기와 같은 의료장치 제조에 널리 사용되며 종종 섬세한 부품을 접합합니다. 이는 접합 파트너가 용접하기 어려운 재료로 제작된 매우 가는 와이어인 경우 까다로운 작업이 됩니다. 일반적인 재료는 생체에 적합하고, 부식에 강하며, 쉽게 살균되는 스텐레스 강철, 니티놀 또는 티타늄입니다. 이질적인 재료를 연결하려는 경우 문제는 훨씬 더 어려워집니다. 레이저는 이 작업에 선호되는(유일한 도구가 아닌 경우) 도구입니다. 이러한 재료를 용접할 때 니티놀의 기억 특성과 같은 바람직한 물리적 특성을 손상시키지 않아야 합니다.

가는 와이어를 연결할 때는 갭이 없어야 합니다. 필러가 사용되지 않고 작은 갭이라도 안정적으로 연결하기에는 너무 클 수 있으므로 와이어가 서로 정확하게 배치되어야 합니다. 따라서 레이저 빔도 정확하게 초점을 맞춰야 합니다. 전자의 문제는 고정 장치로 해결되지만 후자의 작업은 자동화된 비전 시스템을 통해 레이저 초점 위치를 정렬해야 합니다.

Electro-Optical Modulation

An Electro-Optic Modulator (EOM) modulates laser power by applying a phase retardation to the beam by use of the Pockels effect. This is where birefringence is induced in a non-centrosymmetric crystal by application of an electric field. As before, a polarizing analyzer is used to complete the modulator setup.

Pockels cells may be configured in a longitudinal excitation geometry, to accommodate larger beams with relatively short crystals. In this case the typical ½ wave voltage (i.e the volt age required for a 90-degree rotation of the polarization), is in the order of 6 kV, which is difficult to achieve at the speeds and duty cycles for 2P microscopy. Thus, most configurations for imaging adopt the transverse electric field geometry, using longer crystals, which significantly lowers the halfwave voltage. Crystals are generally deployed in 2 or more serial configurations, rotated with respect to each other, to further lower the required switching voltage and compensate for thermal loading effects.

Care must be taken to optimize pulse contrast (ratio of minimum versus maximum transmitted power) by crystal alignment and offset (bias) voltage adjustment for best image contrast.

Electro-Optical Modulation (EOM)
Laser Modulation Solutions for Two-Photon Microscopy

Figure 1: Simplified representation of transverse Pockels cell operation. Transmission through the analyzer is modulated by adjustment of the applied electric field.

Pockels cells are widely adopted in two-photon microscopy, especially amongst the “home builders” community as they are relatively simply deployed, especially for users requiring only modest powers at popular two-photon wavelengths.

For example, cells based on potassium dideuterium phosphate (KD*P) offer excellent transmission, speed and contrast characteristics for 2P applications up to approximately 1100 nm, and modest laser powers. Additionally, KD*P has low group velocity dispersion characteristics, resulting in minimal group delay dispersion (GDD). To this end KD*P Pockels cells are a popular choice when using ultrafast lasers without dispersion precompensation and limited tuning, such as Ti:Sapphire lasers.

Laser Modulation Solutions

Figure 2: Typical Pockels cell deployment on a two-photon microscope. The EOM is just below the user’s right hand. P hotograph courtesy Packer Lab, University of Oxford, UK.

Acousto-Optic Modulation

An Acousto-Optic Modulator (AOM) comprises a transparent crystal or glass onto which a piezoelectric transducer is attached. A radiofrequency (RF) wave applied to the transducer induces an acoustic wave that strains the crystal resulting in a refractive index grating. Light travelling through the cell then undergoes Bragg diffraction.

The rise/fall time achievable is proportional to the time the acoustic wave takes to cross the laser beam, thus is optimized by reducing the beam’s width in the crystal.

Discrimination and therefore contrast ratio is defined by both the separation angle (θS) between the zero and first diffraction orders and the distance to the working plane of interest.

Acousto-Optic Modulator (AOM)

"The advent of one-box widely tunable lasers, in the order of 680-1300 nm and with powers in excess of 2 W, requires a new regime of performance and integration effort for laser modulation."

연구 결과

적용 시험 결과 100와트 StarFiber 레이저가 다양한 와이어 조합을 용접하기에 충분히 강력한 것으로 나타났습니다. 공정 윈도우는 모든 유형에 대해 상당히 좁습니다. 피크 출력이 10W 미만이고 펄스 지속 시간이 10μs 미만입니다. 더 높은 값은 와이어를 절단하고 더 낮은 값은 와이어를 연결하지 않습니다. 사용된 펄스 모양은 프로세스를 안정적으로 만드는 데 도움이 되었습니다. 와이어가 서로 닿아 간격을 메울 수 없도록 하는 것이 중요합니다. 와이어를 절단하면 와이어 끝이 다음 와이어에 용접될 위험이 있습니다. 따라서 위치 지정이 중요합니다.

피크 파워[W] 펄스 지속시간[ms] 반복률[Hz] 속도[mm/min] 비고
30 0.035 30 20 용접
40 0.05 30 - 절단

Modulation in Widely Tunable Lasers

The advent of one-box widely tunable lasers, in the order of 680 - 1300 nm and with powers in excess of 2 W, requires a new regime of performance and integration effort for laser modulation.

The typically used KD*P Pockels cells display thermal blooming effects at high power, which is deleterious to beam pointing, beam waist integrity and lifetime. Longer wavelengths further present higher drive voltage and contrast challenges. Lithium Tantalate is a viable EOM material for wider tuning, however the group delay dispersion of commercial units is higher than the correctable range of dispersion-compensated lasers, thus resulting in longer pulses and reduced peak power, detrimental to efficient imaging.

As previously discussed, despite having potential cost and performance benefits, AOM-based solutions require a high degree of optical design and electronics control expertise to deploy, often not readily available in many bioimaging facilities. That said, AOM solutions are commercially available as an integrated solution from some microscope vendors.

In 2017, Coherent recognized that both users and the microscope industry would benefit from a turn-key solution integrating the AOM modulation with the laser sources. Building on the expertise gleaned from integrated AOM solutions in industrial ultrafast machining lasers, Coherent developed Total Power Control (TPC) – as a fully integrated option for the Chameleon Discovery Laser.

Total Power Control, available on Chameleon Discovery NX, provides high contrast (>1000:1) and high speed (<1 μs rise time) modulation across a full octave tuning range of 660 nm to 1320 nm in a hands-free automated package.

Chameleon Discovery NX After Modulation

턴키 최적화 솔루션

ExactWeld 워크스테이션은 원하는 용도에 따라 Coherent의 응용 전문가가 공장에서 맞춤화합니다. 이 맞춤화에는 레이저, 공정 제어, 자동 처리 시스템뿐만 아니라 필요한 경우 특수 고정 장치도 포함됩니다. 따라서 고객은 애플리케이션 엔지니어가 축적한 전문성과 경험을 통해 엄청난 가치를 얻습니다.

이러한 방식으로 ExactWeld는 다양한 용접 유형 및 형상에 최적화될 수 있습니다. 접촉 용접의 경우 직경이 10μm 이하인 최소 용접 지점을 구현할 수 있습니다. 심 용접의 경우 높은 용접 속도에서 작은 심 형상을 얻을 수 있습니다. 자유형 용접도 프로그래밍할 수 있습니다. 회전식 스테이지 덕분에 기공이 없고 이음매에 균열이 없는 밀봉 용접을 수행하여 누출 방지 용접이 가능합니다. 모든 시스템에 대해 전 세계의 현지 서비스 및 예비 부품 공급이 항상 쉽게 이용할 수 있습니다.

All the taxing requirements for RF frequency and power calibration and adjustment are programmed internally to the laser, so all the user or microscope integrator need to provide is the set wavelength and power level required.

Since AOMs are very cost effective, the fixed wavelength 1040 nm output of Chameleon Discovery NX TPC is also equipped with its own, dedicated AOM and driver.

Power can be conveniently controlled by either serial/USB command or by fast analog control input.

Figure 4: The supplied GUI can be used to directly change the output power
or the user can supply an additional fast analog input for flyback blanking
and fast dither control.

Internal Programmed Wavelength and Power Level

Future Trends

As the scope of two-photon imaging techniques drives further into OEM and preclinical applications, the demand for single wavelength, cost effective femtosecond sources is growing. The Axon series of compact ultrafast sources addresses perfectly these requirements.

From product concept stage, TPC capability was integrated into the Axon design to simplify deployment into new microscope designs and applications. This brings ultimate integration convenience for applications where the two-photon microscope system is part of a movable diagnostic, clinical or hi gh-throughput screening device rather than a pure research instrument.

In cutting edge neuroscience research, high-power lasers are playing a key role in all-optical in-vivo imaging techniques, using optogenetic stimulation (Yuste, 2012). Multiple tens of Watts of laser power are split with spatial light modulators (SLMs) into individual beamlets able to individually address tens or hundreds of neurons. This method of optical control requires short and tailorable burst of pulses. High-power fiber lasers like the Coherent Monaco provide the flexibility demanded by these applications thanks to the all fiber design format. The resulting high average power, high energy laser requirements and the need to switch the stimulation beam on a s ub millisecond timescale presents a specific challenge for incumbent Pockels cell technology. To this end, AOM technology has been fully integrated into Monaco, for exquisite pulse control, simplified microscope design and increased imaging system reliability.

High Contrast, Fast Frame Rate Calcium Imaging

Figure 5: An example of high contrast, fast frame rate calcium imaging enabled by Discovery TPC. (Overlay of neurons expressing RCaMP1.07 excited at 1100 nm (red) and astrocytes expressing GCaMP6s excited at 940 nm (green), in-vivo, mouse. Excitation source Chameleon Discovery TPC. Figure credit Weber Lab, University of Zurich).

Axon Lasers offer TPC Functionality

Figure 6: All Axon lasers offer TPC functionality as an option, within a common form factor.

Chameleon Discovery NX TPC  with Axon 920 TPC

Figure 7: Chameleon Discovery NX TPC partnered with Axon 920 TPC. TPC enables simplified optical layouts and saves valuable table space. Photo courtesy Neil Merovitch, Hospital for Sick Children, Toronto.

요약

결론적으로 의료장치 제조에서 가장 어려운 용접 작업 중 하나인 니티놀과 스텐레스 강철로 만든 얇은 25.4µm(0.001") 와이어의 용접 작업이 성공적으로 수행되었습니다. 니티놀과 같은 특수 재료에는 작은 공정 윈도우가 필요합니다. 펄스 전력, 지속 시간 및 시간적 형태는 안정적이고 반복적으로 생성되어야 합니다. 또한 작은 치수로 인해 공작물과 집중된 레이저의 정확한 위치 지정이 필요합니다. Coherent ExactWeld 430은 이미 의료장치 산업의 기타 다양한 까다로운 용접 분야에서 자리를 잡았습니다. 이 장비는 이제 이 어려운 와이어 용접 작업에 적합한 최상의 솔루션을 제공할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 최근 신뢰성, 성능 및 사용 용이성 측면에서 이루어진 실질적인 개선 사항을 통해 경제적인 매력도 높일 수 있습니다.

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