CN109310853A - 激光加工方法以及微针的制造方法 - Google Patents
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Abstract
针对以高分子为主成分的被加工物,利用光学涡旋技术而能够形成微小突起。本发明的激光加工方法的特征在于,针对于以高分子化合物为主成分的被加工物,照射:具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使得微小的突起形成为所述被加工物状。
Description
技术领域
本发明优选应用于:例如,利用圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,来制造由生物体吸收高分子构成的微针的情形。
背景技术
近年来,利用圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的光学涡旋技术在各种领域引人注目。圆偏振光光学涡旋激光束是利用使圆偏振光激光束从特殊的螺旋相位板通过而具有螺旋状的相位的激光束,其具有:与通常的圆偏振光激光束不同的特性。
提出有如下技术方案:对被加工物照射上述圆偏振光光学涡旋激光束,由此利用使得被加工物表面蒸发的熔蚀现象,而在被加工物表面生成突起(针状体)(例如参照专利文献1)。
专利文献
专利文献1:日本特许第5531261号
发明内容
然而,上述光学涡旋技术存在如下问题:作为被加工物而以半导体、金属为前提的,并未设想到塑料材料、生物体高分子等所谓的有机高分子化合物。
本发明是为了解决上述问题而完成的,其目的在于提供一种能够针对有机高分子化合物而形成微小突起的激光加工方法以及微针的制造方法。
为了解决上述问题,本发明的激光加工方法的特征在于,
针对于以高分子化合物为主成分的被加工物,照射:具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使微小的突起形成为所述被加工物状。
另外,本发明的微针的制造方法的特征在于,
针对于以生物体吸收高分子为主成分的被加工物,照射:具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使微小的突起形成为所述被加工物状。
发明效果
本发明能够实现针对高分子化合物而能够形成微小突起的激光加工方法以及微针的制造方法。
附图说明
图1是微小突起物形成概要图。
图2是用于实施激光加工方法的光学系统的一例的概要图。
图3是根据实施例1而制作出来的微小突起的放大图。
图4是根据实施例2而制作出来的微小突起的放大图及其截面波形。
图5是根据实施例3而制作出来的微小突起的放大图。
具体实施方式
<第一实施方式>
以下,参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。
近年来,在美容、医疗用途中,以尽量不伤害皮肤地将美容成分、药剂注入皮肤为目的,而提出了:由直径较小的微小突起形成的微针(例如参照日本特许第5495034号)。对于该微针而言,微针本身含有美容成分、药剂,并且刺入皮肤的微针被保持原样地吸收至体内。
对于上述微针而言,微针的直径越小,患者所感受到的疼痛越轻、对皮肤造成的伤害越小,因此,迫切希望进一步减小直径、且增大纵横比。在这种方案(pattern)转授方式中,微小突起的根部部分的直径即便最小也有200μm左右。在方案转授方式中,直径越小,而且纵横比越大,当将铸模拆下时,针折断的风险也就越大,并且还越难以制造出微细的微针。
另外,可以认为:若能够使作为有机物的高分子化合物形成微小突起,则除了上述微针以外还能够用于其他各种用途。
如上所述,光学涡旋技术是作为被加工物而以半导体、金属为前提的加工技术,不存在以高分子化合物为对象而进行加工的例子。
本申请发明人尝试了使用圆偏振光光学涡旋激光束、且利用所谓的光学涡旋技术而形成微小突起,结果获得了本申请发明。结果发现,通过本申请发明,能够制造出:由根部部分的直径为20μm或者20μm以下的微小突起形成的微针。
如图1所示,在本申请发明中,对被加工物4的表面4a照射:由圆偏振光光学涡旋形成的激光束的脉冲光2,由此形成出:从被加工物4突出的微小突起101。
作为被加工物,将高分子化合物作为主成分。在本说明书中,高分子化合物意味着重均分子量Mw为5000以上的有机化合物。主成分意味着高分子化合物达到被加工物整体的50重量%以上。作为高分子化合物,Tg(玻璃化转变温度)优选为50℃以上,更优选为70℃以上。其理由在于,若Tg较低,则常温下的处理较为困难。
作为高分子化合物,可以仅含有1种高分子化合物,也可以混合含有2种以上的高分子化合物。此外,其主成分的比例根据被加工物的所有加工工序都结束后的重量来衡量,不包含在形成微小突起之后的干燥工序中特意蒸发出的、所谓的溶剂成分。即,被加工物的加工结束后的比例。
作为高分子化合物,可以使用已知的化合物(合成高分子以及天然高分子)。例如除了PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚苯乙烯等各种塑料材料以外,还可以使用生物体吸收高分子。
作为生物体吸收高分子,可以使用已知的化合物(合成高分子以及天然高分子)。例如,能举出:聚乳酸、聚乙醇酸、聚合-ε己内酯、聚-ρ-二烷、聚苹果酸等的酯类化合物、聚酸酐等酸酐、聚原酸酯等原酸酯化合物、聚碳酸酯等碳酸酯化合物、聚二氨基磷腈等的磷腈化合物、合成多肽等肽化合物、聚磷酸酯氨基甲酸酯等磷酸酯化合物、聚氰基丙烯酸酯等碳-碳化合物、聚-β-羟基丁酸、聚苹果酸等的酯类化合物、聚氨基酸、甲壳质、壳聚糖、透明质酸、透明质酸钠、果胶、半乳聚糖、淀粉、葡聚糖、糊精、藻酸、藻酸钠、纤维素化合物(乙基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素)、明胶、琼脂、黄原胶(KELTROL)、中性树胶(レオザン)、黄原胶、普鲁兰多糖、阿拉伯胶等的糖苷化合物(多糖类)、胶原、明胶、纤维蛋白、谷蛋白、血清清蛋白等的肽化合物(肽、蛋白质)、脱氧核糖核酸、核糖核酸等的磷酸酯化合物(核酸)、聚乙烯醇等乙烯酯化合物等。
本发明中所使用的圆偏振光光学涡旋激光束是:使得圆偏振光的激光束具有螺旋性、且使得圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的脉冲光。根据被加工物4的材质、要形成的微小突起的尺寸等而适当地选择脉冲光的脉冲宽度,优选为10皮秒以上100纳秒以下。
作为圆偏振光光学涡旋激光束,能举例示出:拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束、以及在波阵面具有多个相位临界点的多重光学涡旋。关于拉盖尔高斯光束、贝塞尔高斯光束,是在圆柱坐标系的各自的固有模式下,以具有与矢径的平方成正比的折射率分布、增益分布的直径而成为拉盖尔高斯光束,并以不具有上述分布的直径而成为贝塞尔高斯光束。
拉盖尔高斯光束是具有代表性的光学涡旋激光束,光轴上的强度为零(相位临界点),光轴截面的强度分布呈环状。拉盖尔高斯光束如螺旋阶梯那样在绕光轴旋转1圈时其相位变化2π的整数倍,等相位面形成为螺旋构造。上述整数为拉盖尔高斯光束的涡旋阶数。在涡旋阶数为负整数的情况下,旋转方向相反。
贝塞尔高斯光束与拉盖尔高斯光束相同,如螺旋阶梯那样在绕光轴旋转1圈时其相位变化2π的整数倍,等相位面形成为螺旋构造。上述整数为贝塞尔高斯光束的涡旋阶数。作为在波阵面具有多个相位临界点的多重光学涡旋,存在有双重光学涡旋、3重光学涡旋等。对于2重光学涡旋而言,存在2个相位临界点,具有2个涡旋,关于各涡旋,涡旋阶数为+1阶和-1阶。在3重光学涡旋的情况下,存在有3个相位临界点,具有3个涡旋,关于各涡旋,涡旋阶数为+1阶、+1阶、-1阶。
即,圆偏振光光学涡旋激光束是指:在与光学涡旋激光束的涡旋阶数对应的轨道角动量的基础上还施加有与圆偏振光对应的自旋角动量的光学涡旋激光束。在本发明的圆偏振光光学涡旋激光束中,与光学涡旋激光束的涡旋阶数对应的轨道角动量、和与圆偏振光对应的自旋角动量的二者的角动量的符号相同。即,光学涡旋的旋转方向和圆偏振光的旋转方向相同。其理由在于,在符号相反的情况下,即,若旋转的方法相反,则光学涡旋的轨道角动量和圆偏振光的自旋角动量相互抵消。
在本发明的激光加工方法以及微针的制造方法中,关于光学涡旋激光束的产生方法并未特别限定,作为光学涡旋激光束的产生方法,能举例示出:利用液晶空间调制器所显示的叉型的全息图来产生光学涡旋激光束的方法、利用螺旋状相位板来产生光学涡旋激光束的方法、通过厄米高斯模式的转换来产生光学涡旋激光束的方法、以及从激光共振器直接输出的方法。
图2中示出了:用于利用螺旋状相位板来产生光学涡旋激光束的光学系统20。
关于激光振荡器1并未特别限定,在该例中,激光振荡器1为Nd:YAG激光器。激光振荡器1对直线偏光的脉冲光2进行Q开关振荡。直线偏光的脉冲光2的脉冲宽度为10皮秒以上100纳秒以下。其理由在于,若该脉冲宽度不足10皮秒,则难以产生等离子体,若超过100纳秒,则产生HAZ的问题。若该脉冲宽度为10皮秒以上,则光和被加工物能够充分地相互作用。
作为激光振荡器1进行振荡而产生的直线偏光的脉冲光2的波长,使用1.0μm以上10.0μm以上的波长。对于高分子化合物而言,与无机物有所不同,会产生因过热而分解并炭化的炭化现象。因此,若使用能量较大且波长较短的激光,则容易在熔蚀(升华)的同时产生炭化,非常难以控制激光。另一方面,在10.0μm以上的波长的情况下,能量变得过低而导致效率降低,并且聚光时的最小直径变大,因此,难以控制光斑尺寸。基于同样的理由,作为脉冲光2的波长,更优选1.2μm以上且不足7.0μm。
作为脉冲光2的波长,特别优选1.5μm以上且不足4.0μm。在1.5μm~2.0μm的所谓的近红外区域,会发现对C-H、O-H、N-H等氢键的键合声的吸收,并且其吸收度较小,能够实现波长的能量和吸收量的均衡,从而成为优选方式。另外,在2.0μm~4.0μm的所谓的红外区域,发现了较多的有机高分子化合物所特有的吸收,并且其吸收度非常高,即使是较低波长的能量也有可能产生熔蚀。特别地,在2.0μm~3.7μm时,存在较宽的羟基以及酰胺基等的吸收带,多少还能够吸收波长的偏差,从而成为优选方式。此外,对于脉冲光2的波长,例如,可以利用KTP晶体(KTiOPO4)来构成光参数化共振(OPO)而实现,或者可以通过CO2激光器的向上转换等而进行转换。
在本发明的激光加工方法中,只要将激光振荡器的输出设定为:能达到所设定的峰值功率密度即可,可以根据光学涡旋激光束的脉冲光3的被加工物4上的光斑直径、被加工物4的材质、脉冲光2的波长等因素而适当地选择。优选地,对于激光振荡器的输出并未特别限定,但优选为0.01mJ~10mJ。其理由在于,若输出过小,则不会产生熔蚀或者熔蚀不足,若输出过大,则会产生被加工物4的炭化。根据所形成的微小突起的尺寸而适当地选择光学涡旋激光束的脉冲光3的被加工物4上的光斑直径,并未特别限定,但优选为10μm以上300μm以下。
所述激光振荡器1进行振荡而产生的该直线偏光的脉冲光2,通过焦点距离为50mm的透镜5和焦点距离为300mm的透镜6而使得光束尺寸扩大至6倍,并利用12分割的螺旋状相位板13而将该光束转换为光学涡旋激光束的脉冲光3。此外,焦点距离为50mm的透镜5、和焦点距离为300mm的透镜6之间的距离是350mm。通过有效地使用螺旋状相位板13的面积而能够提高光束品质,并能够消除螺旋状相位板13的损伤,对于焦点距离并未特别限定。此后,利用对物透镜12(焦点距离为50mm)进行聚焦,并对被加工物4进行照射。根据所期望的光斑直径而确定对物透镜12的倍率,并未特别限定,在该例子中,对物透镜12的倍率为5~50倍。另外,对物透镜12的焦点距离并未特别限定。
螺旋状相位板13是:对厚度分布进行控制,以便相对于所透过的激光束赋予规定的相位分布的相位板。相位板的厚度分布近似于阶梯状的不连续分布,其阶梯数即为分割数。对于螺旋状相位板13的分割数并未特别限定,例如,使用12分割、16分割的结构。此外,还可以取代螺旋状相位板13而利用在液晶空间调制器显示的叉型的全息图,来产生光学涡旋激光束。关于这样的光学系统,专利文献1中有所记载。另外,作为光学涡旋发送装置,可以适当地应用专利文献3~5中记载的结构。
专利文献3:日本特许第5831896号
专利文献4:日本特愿2013-519522
专利文献5:日本特许第5035803号
在本发明的激光加工方法中,光学涡旋激光束为拉盖尔高斯光束或者贝塞尔高斯光束,优选涡旋阶数为1以上的整数或者-1以下的整数,更优选涡旋阶数为2以上的整数或者-2以下的整数。其理由在于,拉盖尔高斯光束的涡旋阶数的绝对值越高,加工表面变得越光滑。作为产生高阶的涡旋阶数的拉盖尔高斯光束的方法,能够通过使用重叠的螺旋状相位板而实现。例如,将用于产生1阶涡旋的螺旋状相位板做成双重的,由此能够产生涡旋阶数为2的涡旋。另外,在利用液晶空间调制器所显示的叉型的全息图而产生光学涡旋激光束的方法的情况下,将在相位板液晶空间调制器所显示的叉型全息图设置成3个叉型,由此能够使得涡旋阶数为2。另外,在本发明的激光加工方法中,光学涡旋激光束优选为在波阵面具有多个相位临界点的多重光学涡旋。
【实施例】
[实施例1]
利用图2所示的光学系统,针对被加工物4而形成微小突起。
激光振荡器1为Nd:YAG激光器,输出为0.05mJ,脉冲光2的脉冲宽度为20ns,波长为2480nm。对物透镜12的焦点距离为50mm,倍率为20倍。螺旋状相位板13的分割数为16。被加工物4为片状的透明质酸钠(100%)。另外,产生的光学涡旋激光束的脉冲光3为拉盖尔高斯光束的脉冲光,其涡旋阶数为1。光学涡旋激光束的脉冲光3(拉盖尔高斯光束的脉冲光)在被加工物4上的光斑直径为50μm。
其结果,如图3所示,能够形成根部部分的直径W约为20μm、且高度H约为25μm的微小突起。纵横比(高度H/直径W)大致为1.25。此外,根部部分的直径是被加工物4表面的基线(即表面4a)上的直径,高度同样为相对于基线的高度。
<第2实施方式>
接下来,对第2实施方式进行说明。此外,省略与第一实施方式相同的部分的说明。
在本发明中,预先使被加工物4含有:通过干燥而能够除去的加工用剂。作为加工用剂,优选使用:重均分子量Mw不足300的化合物。特别优选为:通过加热而能够容易地除去的水或者有机溶剂、对于光学涡旋激光束的波长具有吸收特性的化合物等,特别是在制作注射用途的微针的情况下,优选使用:对人体的影响较小的水、乙醇等。对于加工用剂的含量并未特别限制,但优选被加工物4的总量(换算为重量)的95.0%~2.0%左右,更优选为70.0%~5.0%。
例如,在预先使高分子化合物相对于加工用剂分散、并通过干燥而制作被加工物4的情况下,通过干燥条件的设定而形成为残留有一定量的加工用剂的状态。另外,在制作出被加工物4之后,可以在加工用剂的高湿度状态下放置一定时间而使被加工物4吸湿、或者使加工用剂含浸于被加工物4中,由此能够使得被加工物4含有加工用剂。
由此,由于加工用剂进入高分子化合物之间,因此,高分子化合物形成为所谓的溶解的状态。其结果,与不含有加工用剂的情况相比,容易产生熔蚀,从而容易形成微小突起。
在形成微小突起之后,可以利用干燥机等对被加工物4实施干燥。对于干燥条件并未进行限制,例如,以50~80℃的温度,实施1~5小时左右的干燥。此外,在使用对人体无影响的化合物(水、乙醇等)作为加工用剂的情况下,可以在含有加工用剂的状态下制造产品。当然,也可以不实施干燥而保持原样地使用。
[实施例2]
关于被加工物4,使用了:相对于片状的透明质酸钠(100%)而含有水的材料。水的含量为被加工物4的总量的30%左右。当分散于水中的透明质酸钠形成为片状时,通过缩短干燥工序而使得水分残留于被加工物4中。
作为激光振荡器1,除了使用1064nm的波长以外,在相同条件下对被加工物4照射光学涡旋激光束的脉冲光3。
其结果,如图4所示,能够形成高度H为40μm、且根部直径W为110μm的微小突起。
[实施例3]
作为被加工物4,使用了:在相对于透明质酸钠(100%)含有大量的水之后而在规定的温度(例如40~60℃)下对其实施干燥之后的材料。水的含量为被加工物4的总量的50%左右。当分散于水中的透明质酸钠形成为片状时,通过对干燥温度以及湿度进行调整,而使得一定量的水分残留于被加工物4中。
作为激光振荡器1,除了使用1064nm的波长以外,在相同条件下对被加工物4照射光学涡旋激光束的脉冲光3。
其结果,如图5所示,能够形成出:高度H为47μm、且根部直径W为78μm的微小突起。
这样,能够确认:通过增大透明质酸钠片材中的水分含量,能够提高:作为高度相对于根部直径的比率的纵横比。可以认为这是由作为加工用剂的水而引起的。对于作为保水能力同样较高的保水性高分子(相对于高分子化合物主体含有30%以上的水,更优选可以含有100%以上的水的高分子化合物)的胶原等而言,含有相对于总重量而言的30%以上的水,由此也能够制造出纵横比较高的微针。
<动作以及效果>
在以上结构中,本发明的激光加工方法的特征在于,
对于以高分子化合物为主成分的被加工物,照射:具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使微小的突起形成为所述被加工物状。
由此,能够使作为被加工物的主成分的高分子化合物产生熔蚀而不会使其炭化,能够在被加工物上形成微小突起。
使光学涡旋激光束的波长为1.2~7.0μm,从而能够以适当的能量以及具有被加工物的吸收特性的波长而产生熔蚀。
使光学涡旋激光束的波长为1.5~4.0μm,从而能够通过较大幅度的吸收而有效地产生被加工物的熔蚀。
使所述被加工物含有:通过加热而能够容易地除去的溶剂亦即加工用剂,由此能够减弱高分子化合物彼此的络合,从而促进加工用剂的熔蚀。
所述加工用剂为通过加热而能够容易地除去的溶剂,从而能够通过基于溶剂的熔蚀的能量的吸收、气体状态下所产生的能量的吸收,而防止被加工物的高分子化合物的炭化。
对所述加工用剂照射的光学涡旋激光束的波长具有吸收特性,从而能够促进被加工物的发热而有效地产生熔蚀。
所述加工用剂设为水或者乙醇,从而不仅会产生光学涡旋激光束的吸收、高分子化合物的络合的减弱,而且还不会对人体、环境造成伤害。
所述被加工物作为加工用剂而含有水或有机溶剂、或者它们的混合溶剂,在照射所述脉冲光之后,通过干燥而将所述加工溶剂除去。由此,在加工之后能够获得与本来的被加工物的组分相同的材料。另外,还能够利用由干燥引起的收缩,来减小:较大地形成的微小突起。
作为所述加工用剂而至少含有水,光学涡旋激光束的波长为1.7~3.5μm,从而能够利用:水所具有的OH基对光学涡旋激光束大幅的吸收,从而有效地产生熔蚀。
其特征在于,所述加工用剂以水或者乙醇为主成分,当照射所述光学涡旋激光束时,在所述被加工物的总重量中所占的比例为20%~70%。此外,主成分是指:在加工用剂的总重量中所占的比例为50%以上的成分。
由此,利用基于水以及乙醇所具有的羟基的吸收特性,能够有效地利用光学涡旋激光束而产生熔蚀。例如,在实施例2以及实施例3中,作为加工用剂而含有大量的水,从而能够提高针对透明质酸钠本身几乎不吸收的1064nm的光学涡旋激光束的熔蚀的效率。
其特征在于,所述光学涡旋激光束的波长为1.0~3.5μm。由此,能够使用能量较高的波长区域而制造微针。
根据以上结构,在本发明的微针的制造方法中,针对以生物体吸收高分子为主成分的被加工物,照射具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使得微小的突起形成为所述被加工物状。
由此,能够产生熔蚀而不会使作为被加工物的主成分的生物体吸收高分子炭化,能够在被加工物上形成微小突起,能够制造出以生物体吸收高分子为主成分的微针。
<其他实施方式>
此外,在上述实施方式中形成有无孔的微小突起,但也可以如注射针那样形成:在中心具有孔的微小突起。作为微小突起,除了先在中心形成孔以外,也可以之后再在微小突起上形成出孔。
另外,在上述实施方式中,本发明应用于医疗以及美容用途的微针的制造,但也可以例如在工业用途中在塑料材料等高分子材料的表面形成微小突起。另外,被加工物表面并非必须为平面,例如也可以在球的表面等曲面上形成微小突起。
产业上的利用可能性
本发明例如能够应用于粘贴于人体的微针。
附图标记说明
1:激光振荡器
2:脉冲光
3:脉冲光
4:被加工物
4a:表面
12:对物透镜
13:螺旋状相位板
20:光学系统
101:微小突起
Claims (10)
1.一种微针的制造方法,其特征在于,
针对于以高分子化合物为主成分的被加工物,照射具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使得微小的突起形成为所述被加工物状。
2.根据权利要求1所述的微针的制造方法,其特征在于,
光学涡旋激光束的波长为1.0~7.0μm。
3.根据权利要求1所述的微针的制造方法,其特征在于,
光学涡旋激光束的波长为1.5~4.0μm。
4.根据权利要求1所述的微针的制造方法,其特征在于,
所述被加工物含有加工用剂。
5.根据权利要求4所述的微针的制造方法,其特征在于,
所述加工用剂是通过加热而能够容易地除去的溶剂。
6.根据权利要求4所述的微针的制造方法,其特征在于,
所述加工用剂为水或者乙醇,
在照射所述光学涡旋激光束时,所述加工用剂在所述被加工物的总重量中所占的比例为20%~70%。
7.根据权利要求6所述的微针的制造方法,其特征在于,
所述光学涡旋激光束的波长为1.0~3.5μm。
8.根据权利要求1所述的微针的制造方法,其特征在于,
作为加工用剂,所述被加工物含有水或有机溶剂、或者它们的混合溶剂,
在照射所述脉冲光之后,通过干燥而将所述加工溶剂除去。
9.根据权利要求4所述的微针的制造方法,其特征在于,
作为所述加工用剂而至少含有水,
光学涡旋激光束的波长为1.7~3.5μm。
10.一种激光加工方法,其特征在于,
针对于以生物体吸收高分子为主成分的被加工物,照射具有1.0~10.0μm的波长、且圆偏振光的旋转方向和光学涡旋激光束的旋转方向相同的圆偏振光光学涡旋激光束的脉冲光,由此使得微小的突起形成为所述被加工物状。
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