激光清洗：表麵淨化的黑科技

對於(yu) 清洗技術，我們(men) 最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清洗劑和清潔工具。但是傳(chuan) 統的清洗技術無一例外會(hui) 對清洗對象產(chan) 生不同程度的磨損和破壞。隨著科技的進步和精確程度的極致追求，清洗這一概念早就不再局限在“刷盤子”之類的簡單清洗。人們(men) 對於(yu) 清洗對象的範圍不斷擴展，對於(yu) 清洗要求的標準也在不斷提高。脆弱的文物經不起拋光打磨，光滑的金屬表麵需要極致的養(yang) 護，微小的器件需要完美的清潔方法，激光清洗技術應運而生。

早在1965年，諾貝爾獎獲得者肖洛用脈衝(chong) 激光照射到一張印有油墨字跡的紙上，紙麵的墨色字體(ti) 快速汽化，而紙本身沒有損傷(shang) ，成功將紙上的油墨字跡“擦除”。從(cong) 此打開了脈衝(chong) 激光清洗技術的大門。1973年，阿斯姆斯團隊最早報道了使用激光清洗文物的工作；1974年福克斯用Q開關(guan) 釹玻璃激光有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國製造技術中心的紮普卡等人用聚焦激光照射掩模版，成功地將附著在掩模版上的微粒汙染物清洗掉。而後又經過40多年的發展，激光清洗技術已經取得了極大的發展與(yu) 進步。

激光清洗：表麵淨化的黑科技

對於(yu) 清洗技術，我們(men) 最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清洗劑和清潔工具。但是傳(chuan) 統的清洗技術無一例外會(hui) 對清洗對象產(chan) 生不同程度的磨損和破壞。隨著科技的進步和精確程度的極致追求，清洗這一概念早就不再局限在“刷盤子”之類的簡單清洗。人們(men) 對於(yu) 清洗對象的範圍不斷擴展，對於(yu) 清洗要求的標準也在不斷提高。脆弱的文物經不起拋光打磨，光滑的金屬表麵需要極致的養(yang) 護，微小的器件需要完美的清潔方法，激光清洗技術應運而生。

早在1965年，諾貝爾獎獲得者肖洛用脈衝(chong) 激光照射到一張印有油墨字跡的紙上，紙麵的墨色字體(ti) 快速汽化，而紙本身沒有損傷(shang) ，成功將紙上的油墨字跡“擦除”。從(cong) 此打開了脈衝(chong) 激光清洗技術的大門。1973年，阿斯姆斯團隊最早報道了使用激光清洗文物的工作；1974年福克斯用Q開關(guan) 釹玻璃激光有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國製造技術中心的紮普卡等人用聚焦激光照射掩模版，成功地將附著在掩模版上的微粒汙染物清洗掉。而後又經過40多年的發展，激光清洗技術已經取得了極大的發展與(yu) 進步。

(圖源自維基百科)

激光清洗的原理及作用機製

激光清洗是一種利用高能激光束照射物體(ti) 表麵，通過光學、熱學效應使雜質、汙染物或者塗層迅速蒸發或剝離的先進清洗技術。

圖(1) 激光清洗原理圖

激光清洗技術的核心部件是具有大脈衝(chong) 能量、高平均功率、高峰值功率的脈衝(chong) 激光器。眾(zhong) 所周知，激光是一種具有高亮度，高一致性和高定向性的光源。而脈衝(chong) 激光則是在極短時間內(nei) 釋放出高能量的激光束，具有很高的峰值功率和瞬時功率密度。相比於(yu) 連續激光，高功率脈衝(chong) 激光能夠在瞬間產(chan) 生高溫，但由於(yu) 時間極短，熱量來不及傳(chuan) 導到周圍材料，從(cong) 而極大的降低了激光對基底材料的熱影響。高功率脈衝(chong) 激光器還可以通過調整脈衝(chong) 能量和頻率來實現對激光清洗過程的精確控製。這種可調控性可以根據不同的清洗需求進行定製，確保適應不同材料和應用場景。當激光束照射到被清洗的表麵時，激光能量被吸收，並在非常短的時間內(nei) 對汙染物產(chan) 生強烈的熱效應。這種熱效應導致汙染物或塗層表麵溫度升高，使其蒸發、分解或剝離。同時，脈衝(chong) 激光的高能量密度使得它可以直接穿透某些材料，而不損害基底表麵，清洗過程更為(wei) 高效。

圖(2) 連續激光與(yu) 脈衝(chong) 激光(圖源自網絡)

由於(yu) 清洗物的成分和結構複雜多樣，激光與(yu) 之作用的機理種類繁多。所以激光清洗不僅(jin) 僅(jin) 是簡單的高能量燒蝕，其中還涉及了分解、電離、降解、熔化、燃燒、氣化、振動、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等物理化學變化過程。因此脈衝(chong) 激光清洗的過程是一個(ge) 複雜的光學、熱學、力學等綜合物理化學變化過程。激光清洗作為(wei) 非機械接觸的表麵預處理方法，激光束可以按照設定好的的掃描方式作用於(yu) 樣件表麵，使得激光與(yu) 表麵的汙物、鏽蝕層或者塗層進行充分的相互作用。在表麵材料吸收激光的能量後，激光能量轉化為(wei) 清洗提供所需的熱能、化學能和機械能。目前關(guan) 於(yu) 脈衝(chong) 激光清洗的機理解釋主要有激光燒蝕作用機製和熱彈性膨脹剝離機製兩(liang) 種學說。

(1) 激光燒蝕作用機製

脈衝(chong) 激光清洗過程中的熱作用燒蝕機製與(yu) 激光功率密度密切相關(guan) 。在燒蝕機製中，由於(yu) 高功率脈衝(chong) 激光器能夠在極短的時間內(nei) 釋放大量能量，導致高能量密度的激光束。這使得激光束在短時間內(nei) 集中在一個(ge) 小區域，能夠迅速加熱和蒸發目標表麵的汙染物或塗層。當激光的能量足夠破壞表層物質的化學鍵時，化學鍵發生振動、彎曲、甚至斷裂，使得分子發生分解，表層汙染物就被光分解。當激光清洗的功率密度大於(yu) 10^8 W/cm^2時，材料表麵的汙染層可能在吸收激光的能量後發生塑性變形產(chan) 生爆炸性的反彈應力；當激光清洗的功率密度大於(yu) 10^9 W/cm^2 時，材料表麵的汙染層吸收高能量的激光而產(chan) 生氣化或者因光學擊穿產(chan) 生等離子體(ti) 形成等離子體(ti) 爆炸衝(chong) 擊波，這些爆炸效應力都會(hui) 加速汙染物從(cong) 基材表麵分離。

圖(3) 激光燒蝕作用機製示意圖(圖源自：宋峰,陳銘軍(jun) ,陳晅等.激光清洗研究綜述(特邀)[J].紅外與(yu) 激光工程,2023,52(02):28-49.)

(2) 熱彈性膨脹剝離機製

其包括熱彈性振動、蒸汽壓力、光致壓力、相爆炸、衝(chong) 擊波等。當激光輻照在材料表麵時,基底材料和被清洗物均先發生熱膨脹。這種熱彈性膨脹產(chan) 生的脫離應力會(hui) 率先清除掉部分表麵物質，這就是熱振動機製。在振動機製中，激光的熱效應同樣會(hui) 使汙染物和基底的溫度升高，但由於(yu) 所使用的激光能量要遠遠低於(yu) 燒蝕機製中的激光能量，因此汙染物不會(hui) 被直接燒蝕，而是出現機械斷裂、振動破碎等現象。汙染物以噴射方式被去除或被剝離基材表麵。脈衝(chong) 激光還可以將汙染物或者基底材料表麵顆粒周圍的空氣電離，形成等離子體(ti) 衝(chong) 擊波，將表麵汙染物去除。在濕式激光清洗中，將液膜(水、乙醇或其他液體(ti) )預先覆蓋在清洗物表麵,然後用激光對其進行照射.液膜吸收激光能量致使液態介質發生強力爆炸,爆炸的沸騰液體(ti) 高速運動,將能量傳(chuan) 遞給表層待清洗物,借助高瞬態的爆炸性力量去除表麵汙物以達到清洗目的。

圖(4) 熱彈性膨脹剝離機製示意圖(圖源自：宋峰,陳銘軍(jun) ,陳晅等.激光清洗研究綜述(特邀)[J].紅外與(yu) 激光工程,2023,52(02):28-49.)

激光清洗的典型應用

40多年來，激光清洗作為(wei) 一種新型高效的環保清洗技術，得到了飛速發展，在電子元器件清洗和脫漆除鏽等領域得到了廣泛應用。

(1) 激光清洗電子元器件

半導體(ti) 行業(ye) 發展過程中，其矽晶元掩模表麵的汙染微粒的清洗一直都是一大難題。傳(chuan) 統的化學清洗會(hui) 造成極大的汙染，而機械清洗和超聲清洗方法又無法達到所需的清洗效果。隨著科技發展，半導體(ti) 、微電子設備越來越小，需要清洗的微粒尺寸也越來越小，清洗難度越來越大，而激光清洗技術的出現為(wei) 這一問題提供了新的解決(jue) 方案,相關(guan) 研究與(yu) 應用得到迅速發展。

由於(yu) 電子元件表麵脆弱以及器件表麵常有鍍膜，傳(chuan) 統的激光燒蝕清洗存在損壞器件的風險。為(wei) 解決(jue) 這一問題，科學家們(men) 采用了一種新型的高效清洗技術。該技術利用高強度激光，經由匯聚透鏡聚焦，誘導空氣擊穿形成高溫高密度的激光等離子體(ti) 。由於(yu) 所產(chan) 生的等離子體(ti) 迅速向四周膨脹，壓縮周圍的空氣，形成了強力的等離子體(ti) 衝(chong) 擊波。在這個(ge) 過程中，高強度衝(chong) 擊波的力學效應使納米粒子能夠克服與(yu) 基底表麵的附著力，從(cong) 而將粒子迅速“衝(chong) ”走，實現了對表麵微粒的高效清洗。不同於(yu) 傳(chuan) 統方法，激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波是在激光照射過程中通過擊穿空氣介質而產(chan) 生球狀等離子體(ti) 衝(chong) 擊波，隻作用在待洗基體(ti) 表麵而不影響基體(ti) 本身，從(cong) 而避免了對器件的傷(shang) 害。令人鼓舞的是，整個(ge) 清洗過程中無需引入化學試劑的輔助，有效避免了對自然環境的負麵危害。對於(yu) 微電子基片常見的納米顆粒汙染問題，這一清洗技術表現出色，為(wei) 解決(jue) 這一難題提供了一種可行的、高效而環保的方法。

圖(5) 激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗微粒原理圖

(2) 激光除鏽

激光除鏽是激光清洗技術的一項重要應用，采用高峰值功率的脈衝(chong) 激光照射在鏽蝕層上。在這個(ge) 過程中，激光能量被吸收，導致鏽蝕層的溫度急劇上升，引發膨脹、熱衝(chong) 擊和相變等變化，最終有效地去除鏽蝕層。相對於(yu) 傳(chuan) 統的除鏽工藝，激光除鏽具有一係列顯著優(you) 勢。首先，激光除鏽是非機械接觸過程，不會(hui) 對工件表麵造成機械損傷(shang) ，從(cong) 而保護了工件的完整性。其設備具備高度集成度，操作靈活，容易實現自動化控製，提高了生產(chan) 效率和操作的便捷性。激光技術的良好方向性使得除鏽過程能夠實現精確定位，適應於(yu) 處理複雜曲麵，提高了清洗的精準度。此外，激光除鏽過程產(chan) 生的噪聲較低，無粉塵汙染，有助於(yu) 創造更清潔的工作環境。總體(ti) 而言，激光除鏽技術在除鏽過程中展現出高效、精準和環保等多方麵的優(you) 勢，為(wei) 工業(ye) 清洗領域提供了先進的解決(jue) 方案。這項創新技術不僅(jin) 改進了傳(chuan) 統清洗方法，還為(wei) 工業(ye) 生產(chan) 提供了更加可持續和環保的選擇。

激光除鏽的主要機製之一是通過激光束加熱材料發生氣化來實現鏽蝕層的去除。然而，對於(yu) 鐵基底氧化生成的鏽蝕層，由於(yu) 其表麵疏鬆多孔，厚度在幾十微米到幾百微米之間，脈衝(chong) 激光的氣化深度相對較有限。因此激光除鏽的去除機製並非單一的氣化燒蝕，還涉及到其他清洗機製，如等離子體(ti) 衝(chong) 擊波和相爆炸。這意味著除了通過氣化去除鏽蝕層外，激光還會(hui) 產(chan) 生強烈的等離子體(ti) 衝(chong) 擊波，以及相爆炸等效應，進一步協同作用於(yu) 鏽蝕層，確保了更為(wei) 全麵和徹底的清洗效果。

圖(6)激光除鏽效果前後對比圖(圖來自：陸思遠.激光清洗鏽蝕鋼板的技術研究[D].華中科技大學,2017.)

隨著激光清洗技術的不斷發展，相信它能夠為(wei) 清洗行業(ye) 帶來更多創新和便捷。未來，我們(men) 有望見證激光清洗技術在各個(ge) 領域為(wei) 生產(chan) 過程帶來更大的效益，同時為(wei) 環境保護做出更為(wei) 積極的貢獻。激光清洗，成為(wei) 清洗科技的亮眼之選，引領我們(men) 步入清洗領域的嶄新時代。（參考文獻略）