激光清洗技術是激光技術在工程領域的一種成功應用,其基本原理是利用激光能量密度高的特點,使激光與(yu) 工件基底上附著的汙染物相互作用,以瞬間受熱膨脹、熔化、氣體(ti) 揮發等形式與(yu) 工件基底分離。激光清洗技術具有高效、環保、節能等特點,已成功應用於(yu) 輪胎模具清洗、飛機機體(ti) 除漆、文物修複等領域。
傳(chuan) 統清洗技術包括機械摩擦清洗(噴砂清洗、高壓水槍清洗等)、化學腐蝕清洗、超聲波清洗、幹冰清洗等,這些清洗技術已經廣泛應用於(yu) 各行各業(ye) ,如噴砂清洗通過選擇不同硬度的磨料可以清洗金屬繡斑、金屬表麵毛刺、電路板表麵三防漆等,化學腐蝕清洗技術廣泛用於(yu) 設備表麵油垢清洗、鍋爐水垢清洗、輸油管路清洗等領域。雖然這些清洗技術已發展成熟,但仍然存在一些問題,如噴砂清洗容易對處理表麵造成損傷(shang) ,化學腐蝕清洗會(hui) 造成環境汙染、處理不當時導致清理表麵腐蝕。
激光清洗技術的出現是對清洗技術的一次革命。激光清洗技術利用了激光的能量密度高、精度高、可高效傳(chuan) 導等優(you) 點,較傳(chuan) 統清洗技術在清洗效率、清洗精度、清理位置等方麵有明顯優(you) 勢,可有效避免化學腐蝕清洗等清洗技術會(hui) 造成的環境汙染,且不會(hui) 對基底產(chan) 生損傷(shang) 。
激光清洗的原理

那麽(me) 什麽(me) 是激光清洗呢?激光清洗是通過激光束照射從(cong) 固體(ti) (或有時為(wei) 液體(ti) )表麵去除材料的過程。在低激光通量下,材料被吸收的激光能量加熱並蒸發或升華。在高激光通量下,材料通常會(hui) 轉換為(wei) 等離子體(ti) 。通常,激光清洗是指用脈衝(chong) 激光去除材料,但是如果激光強度足夠高,則可以用連續波激光束燒蝕材料。深紫外光的準分子激光器主要用於(yu) 光燒蝕。用於(yu) 光燒蝕的激光波長約為(wei) 200nm。吸收激光能量的深度以及單個(ge) 激光脈衝(chong) 去除的材料量取決(jue) 於(yu) 材料的光學特性以及激光波長和脈衝(chong) 長度。每個(ge) 激光脈衝(chong) 從(cong) 靶標燒蝕的總質量通常稱為(wei) 燒蝕率。激光束掃描速度和掃描線覆蓋率等激光輻射特征會(hui) 顯著影響燒蝕過程。
幹式激光清洗即脈衝(chong) 激光直接照射清洗工件,使基底或表麵汙染物吸收能量溫度升高,產(chan) 生熱膨脹或基底熱振動,進而使二者分離。該方法大致分為(wei) 2種情況:一種是表麵汙染物吸收激光膨脹;另一種是基底吸收激光產(chan) 生熱振動。1969年,S.M.Bedair 等人發現包括熱處理、化學腐蝕、噴砂清洗等表麵處理方法均存在不同的缺點,同時,利用激光聚焦後的高能量密度可以使材料表麵蒸發的現象存在無損清洗材料表麵的可能,通過實驗發現,使用功率密度為(wei) 30 MW/cm2 的紅寶石調Q 激光可以實現不損傷(shang) 基底的情況清洗矽材表麵汙染物,首次實現了利用激光清洗材料表麵汙染物,即激光幹式清洗。整體(ti) 速率可以通過膜層碎片脫離率進行表達,如下式:

式中,ε—激光脈衝(chong) 能量指標,h—汙染物膜層在脈衝(chong) 激光照射待洗工件前,先進行表麵預塗液膜,在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化,氣化的瞬間產(chan) 生衝(chong) 擊波,作用在汙染物顆粒中,使其從(cong) 基體(ti) 上脫落。此方法要求基體(ti) 與(yu) 液膜不能發生反應,故限製了應用材料的範圍。1991年,K.Imen 等人針對使用傳(chuan) 統清洗方法處理後半導體(ti) 晶圓、金屬材料等表麵有亞(ya) 微米顆粒汙染物殘留的問題,研究了在材料基體(ti) 表麵塗覆一種可高效吸收激光的薄膜,隨後使用CO2 激光器進行照射,薄膜吸收激光能量後溫度迅速升高並沸騰,產(chan) 生爆炸性汽化,將基體(ti) 表麵的汙染物帶走。這種清洗方式即為(wei) 激光濕式清洗。3)激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗:激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波是在激光照射過程中擊穿空氣介質而產(chan) 生球狀等離子體(ti) 衝(chong) 擊波,衝(chong) 擊波作用在待洗基體(ti) 表麵並且釋放能量將汙染物去除;激光未作用於(yu) 基體(ti) ,因此對基體(ti) 不產(chan) 生傷(shang) 害。激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗技術現已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒汙染物,並且對激光波長沒有限製。a) 激光器發射的光束被需處理表麵上的汙染層所吸收。b) 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。c) 衝(chong) 擊波使汙染物變成碎片並被剔除。d) 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。e) 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。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。2001年,J.M.Lee 等人利用高功率激光聚焦時會(hui) 產(chan) 生等離子體(ti) 衝(chong) 擊波的特點,使用能量密度為(wei) 2.0 J/cm2(遠大於(yu) 矽片的損傷(shang) 閾值)的脈衝(chong) 激光平行於(yu) 矽片進行照射,成功清洗了吸附在矽片表麵的1 μm 鎢顆粒。這種清洗方式即為(wei) 激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗,嚴(yan) 格意義(yi) 上說,激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗是幹式激光清洗的一種。上述3 種激光清洗技術最初的的目均為(wei) 清洗半導體(ti) 晶圓表麵的微小顆粒,可以說激光清洗技術是隨著半導體(ti) 技術的發展而出現的。但是激光清洗技術不斷應用於(yu) 其他領域,如輪胎模具清洗、飛機蒙皮除漆、文物表麵修複等。在激光輻射的同時,可用惰性氣體(ti) 吹向基體(ti) 表麵,當汙物從(cong) 表麵剝離後會(hui) 立即被氣體(ti) 吹離表麵,以避免表麵再次汙染和氧化。半導體(ti) 晶圓及光學基片的清洗半導體(ti) 晶圓和光學基片在加工過程中存在相同的工藝,即將原材料以切割、磨削等形式加工為(wei) 需要的形狀。在這個(ge) 過程中會(hui) 引入顆粒狀汙染物,這些汙染物難以清除且重複汙染問題嚴(yan) 重。半導體(ti) 晶圓表麵的汙染物會(hui) 影響電路板印刷的質量,進而縮短半導體(ti) 芯片的使用壽命。光學基片表麵的汙染物會(hui) 影響光學器件及鍍膜的質量,可能會(hui) 導致能量不均勻,縮短使用壽命。由於(yu) 激光幹式清洗容易造成基體(ti) 表麵損傷(shang) ,這種清洗方式在半導體(ti) 晶圓與(yu) 光學基片的清洗中應用較少,激光濕式清洗和激光等離子體(ti) 衝(chong) 擊波清洗在該領域中有著較多成功的應用。徐傳(chuan) 義(yi) 等研究了在超光滑光學基片表麵沉積微米級特製磁漆作為(wei) 介質膜,隨後使用脈衝(chong) 激光器進行清洗,清洗效果較好,雖然其單位麵積的雜質顆粒物增多,但是雜質顆粒尺寸和覆蓋麵積均明顯下降,該方法可以有效清洗超光滑光學基片表麵的微米級汙染物顆粒。張平研究了激光等離子體(ti) 清洗技術中工作距離和激光能量對不同粒徑汙染物顆粒清洗效果的影響,試驗結果表明對於(yu) 導電玻璃基片上的聚苯乙烯顆粒,能量為(wei) 240 mJ 激光的最佳工作距離為(wei) 1.90 mm,隨著激光能量的增加清理效果明顯增加,且大顆粒汙染物更容易清理。金屬材料表麵的清理金屬材料表麵的清理相較於(yu) 半導體(ti) 晶圓及光學基片的清洗而言,清理的汙染物屬於(yu) 宏觀範疇。金屬材料表麵的汙染物主要有氧化層(鏽蝕層)、漆層、塗層、其他附著物等,按汙染物類型可分為(wei) 有機汙染物(如漆層、塗層)和無機汙染物(如鏽蝕層)。金屬材料表麵汙染物的清理主要為(wei) 了滿足後續加工或使用要求,如鈦合金零件焊接前需清除材料表麵約10μm厚的氧化層,飛機大修時需清除蒙皮表麵原有的油漆塗層以便於(yu) 重新噴塗,橡膠輪胎模具需定期清理其附著的橡膠顆粒以保證表麵的清潔度進而保證生產(chan) 輪胎的質量及模具的壽命。金屬材料的損傷(shang) 閾值較其表麵汙染物的激光清洗閾值要高,通過選擇合適功率激光即可達到較好的清洗效果,在一些領域已成熟應用。王利華等人研究了激光清洗技術在處理鋁合金和鈦合金表麵氧化皮中的應用,研究結果表明使用能量密度為(wei) 5.1 J/cm2 的激光可在清理A5083-111H 鋁合金表麵氧化層的同時保持基底的良好質量,使用平均功率為(wei) 100 W 的脈衝(chong) 激光以掃描的方式可有效清洗鈦合金表麵的氧化層並提高材料表麵硬度。國內(nei) 銳科激光、大族激光、深圳創鑫等公司研製的激光清洗設備已廣泛應用於(yu) 輪胎等橡膠模具、金屬鏽蝕層、零部件表麵油汙等清洗。

文物和紙張表麵的清理金屬文物和石質文物等由於(yu) 曆史悠久,在其表麵會(hui) 出現如灰垢、墨跡等汙染物,需將這些汙染物進行清理以複原文物。書(shu) 畫等紙張在存儲(chu) 不當時其表麵會(hui) 生長黴菌並形成菌斑,這些菌斑嚴(yan) 重影響了紙張的原貌,尤其是對於(yu) 文化或曆史價(jia) 值高的紙張,會(hui) 影響其欣賞和保護。趙瑩等人研究了紫外激光清洗宣紙上黴菌菌斑的可行性,試驗結果顯示,使用能量密度為(wei) 3.2 J/mm2 的激光掃描1 次可清除薄的菌斑,掃描2 次可將菌斑清除幹淨,但是如果使用的激光能量過高,會(hui) 在清除菌斑的同時損壞宣紙。張曉彤等人采用激光垂直照射液膜法成功修複了一件鎏金青銅文物。張力程等在一件漢代彩繪女陶俑的修複中使用了激光清洗技術。袁曉東(dong) 等人研究了激光清洗技術在石質文物清洗中應用的效果,分別對比了清洗前後砂岩本體(ti) 的損傷(shang) 及墨跡清洗、煙熏汙染清洗、油漆汙染清洗的效果。激光清洗技術是一種較為(wei) 先進的技術,在航空航天、軍(jun) 工裝備、電子電氣等高精尖領域具有廣闊的研究和應用前景。目前激光清洗技術已經在一些領域成熟應用,得益於(yu) 其高效、環保、清洗效果好等特點,其應用領域也在逐漸拓寬。激光清洗技術的發展不僅(jin) 已經在除漆、除鏽等領域成熟應用,近些年又有利用激光清洗金屬絲(si) 表麵氧化層的報道。現有領域的拓展應用和新領域的應用是激光清洗技術發展的基礎。新型激光清洗設備的研製開發以及新型激光清洗設備的開發會(hui) 出現分化,發展出各種各樣的功能。在未來通過與(yu) 工業(ye) 機器人配合實現全自動激光清洗也是可以實現的。(1)加強激光清洗理論研究,指導激光清洗技術應用。查閱大量文獻發現,激光清洗技術沒有成熟的理論體(ti) 係支撐,多數研究都是基於(yu) 試驗開展的。建立激光清洗理論體(ti) 係是激光清洗技術進一步發展成熟的基礎。(2)現有領域的拓展應用及新領域的應用。激光清洗技術已經在除漆、除鏽等領域成熟應用,近些年又有利用激光清洗金屬絲(si) 表麵氧化層的報道。現有領域的拓展應用和新領域的應用是激光清洗技術發展的沃土。(3)新型激光清洗設備的研製開發。新型激光清洗設備的開發會(hui) 出現分化,一類是覆蓋多個(ge) 應用領域具有一定通用性的設備,如一台設備可以同時實現除漆和除鏽功能,另一類是針對特定需求的專(zhuan) 用設備,如為(wei) 了清洗小空間內(nei) 部的汙染物可能需要設計特定工裝或者光纖實現功能。通過與(yu) 工業(ye) 機器人配合實現全自動激光清洗也是一個(ge) 熱門的應用方向。