自從(cong) 20 世紀 60 年代第一台激光器產(chan) 生以來，具有相幹性好、發散角小、能量高度集中等特點的激光在各個(ge) 領域都得到了廣泛的應用，比如激光測距、激光加工、激光通訊等。到了 20 世紀 80 年代，人們(men) 發現把高能量的激光束聚焦後照射一些物品的被汙染的部位，使被照射的物質發生振動、熔化、蒸發、燃燒等一係列複雜的物理化學過程，可以使汙染物最終脫離物品表麵，從(cong) 而實現對表麵汙染物的清除，這就是激光清洗。此後十幾年來，激光清洗已經從(cong) 實驗室內(nei) 走向了實際應用，用於(yu) 油汙、鏽蝕的去除、文物、微電子線路板等各種材料的清洗，並取得了很好的經濟和社會(hui) 效益。

激光清洗的物理原理

脈衝(chong) 式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴於(yu) 激光器所產(chan) 生的光脈衝(chong) 的特性，基於(yu) 由高強度的光束、短脈衝(chong) 激光及汙染層之間的相互作用所導致的光物理反應。其物理原理可概括如下：

（1）激光器發射的光束被需處理表麵上的汙染層所吸收；

（2）大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體(ti) （高度電離的不穩定氣體(ti) ），產(chan) 生衝(chong) 擊波；

（3）衝(chong) 擊波使汙染物變成碎片並被剔除；

（4）光脈衝(chong) 寬度必須足夠短，以避免使被處理表麵遭到破壞的熱積累；

（5）實驗表明，當金屬表麵上有氧化物時，等離子體(ti) 產(chan) 生於(yu) 金屬表麵；

（6）等離子體(ti) 隻在能量密度高於(yu) 閾值的情況下產(chan) 生，這個(ge) 閾值取決(jue) 於(yu) 被去除的汙染層或氧化層。這個(ge) 閾值效應對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。

等離子體(ti) 的出現還存在第二個(ge) 閾值。如果能量密度超過這一閾值，則基底材料將被破壞。為(wei) 在保證基底材料安全的前提下進行有效的清潔，必須根據情況調整激光參數，使光脈衝(chong) 的能量密度嚴(yan) 格處於(yu) 兩(liang) 個(ge) 閾值之間。每個(ge) 激光脈衝(chong) 去除一定厚度的汙染層。如果汙染層比較厚，則需要多個(ge) 脈衝(chong) 進行清洗。將表麵清洗幹淨所需要的脈衝(chong) 數量取決(jue) 於(yu) 表麵汙染程度。由兩(liang) 個(ge) 閾值產(chan) 生的一個(ge) 重要結果是清洗的自控性。能量密度高於(yu) 第一閾值的光脈衝(chong) 將一直剔除汙染物，直到達到基底材料為(wei) 止。又因為(wei) 其能量密度低於(yu) 基底材料的破壞閾值，所以基底不會(hui) 受到破壞。

Nd:YAG激光清洗器特點

（1）它屬於(yu) 四能級係統，量子效率高，受激輻射界麵大，閾值遠遠低於(yu) 紅寶石和釹玻璃；

（2）具有良好的熱穩定性能，熱導率高，熱膨脹係數小，適用於(yu) 脈衝(chong) 、連續、高重複率等多種器件，是目前能在室溫下連續工作的、唯一實用的固體(ti) 工作物質；

（3）YAG 晶體(ti) 各向同性，硬度大，化學性能穩定，易於(yu) 製成高穩定度要求的器件。它已成為(wei) 當前應用最為(wei) 廣泛的主要固體(ti) 工作物質；

（4）Nd:YAG 器件已廣泛用於(yu) 材料加工。除了在激光打孔、焊接、熱處理、打標、書(shu) 寫(xie) 、動平衡等加工中應用外，它還能在微細加工領域獲得廣泛應用。尤其是大規模集成電路的加工，已顯示出它獨有的優(you) 越性。

圖 激光清洗裝置示意圖（該設置適用於(yu) 較小的清洗部件）

在使用Nd:YAG三倍頻激光清洗鍍膜的K9玻璃表麵的實驗中，實驗結合實際的某大型激光裝置運行過程中出現的光學表麵汙染問題，在汙染物的選擇上，主要選用油脂作為(wei) 實驗中的汙染物。最終實驗結論表明使用 Nd:YAG 三倍頻激光照射被汙染的化學膜層，在同等能量照射下，脈衝(chong) 數越多，汙染物麵積越少；而在相同脈衝(chong) 數下，照射能量越高，汙染物麵積越少。低能量、多次脈衝(chong) 與(yu) 高能量、一次脈衝(chong) 可以達到相同的清洗效果。

激光清洗效益可觀

微米、亞(ya) 微米級細微顆粒的去除是半導體(ti) 、微電子、微型機械、精密光學等高新技術中的關(guan) 鍵問題。細微顆粒與(yu) 基體(ti) 表麵之間強大的附著力使常規去除方法難以奏效，短脈衝(chong) 激光能有效清除微米、亞(ya) 微米級細微顆粒。

激光清洗係統雖然前期一次性投入較高，但清洗係統可以長期穩定使用，運行成本低，更重要的是，可以實現自動化操作。它以自身的優(you) 勢和不可替代性在許多領域中逐步取代了傳(chuan) 統清洗工藝。隨著科學技術的高速發展，激光清洗技術會(hui) 越來越多地應用於(yu) 人們(men) 的生產(chan) 和生活中的各個(ge) 領域。

我國在這方麵的研究剛剛開展，目前雖然還難以詳細估計激光清洗技術的應用市場份額，但上述領域不少屬於(yu) 國民經濟的支柱產(chan) 業(ye) ，激光清洗技術滲入其中後，產(chan) 生的經濟效益和社會(hui) 效益是十分可觀的。利用我國現有的激光技術條件，開發配套的激光清洗設備，並使其在短時間內(nei) 實用化、產(chan) 業(ye) 化是完全可能的，對推動高新技術產(chan) 業(ye) 的發展本身亦具有重要而深遠的意義(yi) 。

作者：李鴻鵬1，郭寶錄2

1.中國電子科技集團公司光電研究院

2.空軍(jun) 駐錦州地區軍(jun) 事代表室

參考文獻

李鴻鵬,郭寶錄 Nd:YAG脈衝(chong) 激光清洗技術研究[J]. 光電技術應用, 2018, 33(2): 63～57