激光清洗技術(shù)綜述

1、摘要：激光清洗技術(shù)是利用激光處理待清洗物體，在激光脈沖作用下使污染物從 物體表面脫離。由于激光清洗可通過調(diào)整激光波長(zhǎng)、脈寬、作用時(shí)間和作用方式 等來適應(yīng)不同污染物和不同基底的清洗要求，因此廣泛適用于各種清洗對(duì)象，并 常用于一些特殊功能的清洗，解決常規(guī)清洗所不能解決的問題。此外，與其它清洗 技術(shù)相比，激光清洗具有無污染、效率高、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因而研究和應(yīng)用更加廣 泛。本文論述的光學(xué)元件表面的激光清洗方法是針對(duì)目前常規(guī)清洗無法完成的光 柵清洗和光學(xué)元件在線清洗，為系統(tǒng)中的光柵潔凈和高功率固體激光裝置中的光 學(xué)元件在線潔凈提供了一條新的路徑。關(guān)鍵詞：激光清洗；光學(xué)元件；污染。引言：一提到清洗，人們很

2、容易聯(lián)想到水和其它液體，因?yàn)橛靡后w清洗固體表面的 污染物是千百年來人們最常使用的方法。但是污染的種類很多，污染附著的物體 的種類也各不相同。有些物體上的污染很難甚至無法用水和一般化學(xué)清洗劑來清 洗干凈，比如文物上的污漬、輪船外殼上的銹蝕的油漆、電子線路板上的微粒、 硅片上的污染物等。一般清洗這些主要使用的是如機(jī)械清洗法、化學(xué)清洗法和超 聲波清洗法等。但是這些方法都存在著一些缺點(diǎn)，機(jī)械方法無法滿足高清潔度清 洗要求；化學(xué)清洗方法容易導(dǎo)致環(huán)境污染；超聲波清洗法盡管清洗效果不錯(cuò)，但 對(duì)亞微米級(jí)污粒的清洗無能為力，清洗槽的尺寸限制了被清洗零件的范圍和復(fù)雜 程度。這些缺點(diǎn)都限制了傳統(tǒng)清洗技術(shù)的發(fā)展。隨著

3、激光技術(shù)的發(fā)展，激光清洗最為一種新型的清洗方式進(jìn)入了人們的視野。它 是一種新型高效的環(huán)保清洗技術(shù)，可利用激光的方向性和高亮度來清除掉材料表 面的污染物。激光清洗的機(jī)理主要是基于物體表面污染物吸收激光能量后，或汽 化揮發(fā)，或瞬間受熱膨脹而克服表面對(duì)粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進(jìn)而 達(dá)到清洗的目的1。國(guó)外的發(fā)展：激光清洗最早報(bào)道于年，前蘇聯(lián)的幾位科學(xué)家利用激光技術(shù)去 除水面漂浮的石油。而真正意義上的激光清洗技術(shù)研究開始于20世紀(jì)80年代中期, 利用該技術(shù)成功清除存儲(chǔ)器模板上的微小顆粒，從此激光清洗技術(shù)開始受到廣泛 的關(guān)注和研究，并被正式確認(rèn)為一種有效的清洗方法。在1987年，由Pentrov領(lǐng)

4、 導(dǎo)的研究小組發(fā)表了第一篇有關(guān)激光清除小顆粒的文獻(xiàn).同年，有三個(gè)研究小組 分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了激光清洗的效果.此外，IBM的Andrew所領(lǐng)導(dǎo)的科研小組對(duì)激 光清洗技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，將激光清洗的機(jī)理研究得最為透徹，并在工業(yè)應(yīng) 用中做出了杰出貢獻(xiàn)，特別是在濕式激光清洗方面做出了許多有益的研究成果。 快就報(bào)道了濕式蒸汽激光清洗，在20世紀(jì)80年代末，研究人員發(fā)現(xiàn)，在固體表面 覆蓋一層液體“輔助層”更有利于污染顆粒的清除。目前IBM、Intel等公司都 在開展研究。國(guó)外清洗技術(shù)方面的研究情況見見表1 2。國(guó)內(nèi)的發(fā)展：國(guó)內(nèi)的激光清洗技術(shù)是近年才起步的，國(guó)內(nèi)關(guān)于激光清洗技術(shù) 的研究仍然處于參數(shù)和機(jī)理研究

5、階段，在應(yīng)用方面還是一片空白，基本上是跟蹤 國(guó)外的發(fā)展，國(guó)內(nèi)清洗技術(shù)方面的研究情況見表2。在我國(guó)，激光清洗技術(shù)在各個(gè) 應(yīng)用領(lǐng)域的研究已經(jīng)相續(xù)開展，相信在不久的將來這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)一定會(huì)被廣泛 地應(yīng)用。*2胴向就旖技木的情嘵EH狀球部竣氏網(wǎng)J匚 ;啊以Tj木平|部1I 激湛 ；徜岬/桀盼一 31/icW二 .,rB.時(shí)固W藤舂姓夫雕供隹，不福*菩件|麗件Kml始冷掘呻舟也5主 雎*心甚蝴太抻分觸梏借段1囹停電世J6EWlOni沖3 WAG宜體源畛我矣隕成器了 電冠我面的湖31基 團(tuán)而平哩皚度痛1國(guó)外福所檢溜敢研究理世主堂斷馳氈找內(nèi)&1我孑禎 scm蹬uti尹TTi中 同用痛1國(guó)外福所檢溜敢研究理世

6、主堂斷馳氈找內(nèi)&1我孑禎 scm蹬uti尹TTi中 同用(:iiii 1贛量尚（加時(shí) nmiU.GS.-U.韭徘點(diǎn) ,J.l M不的璋一犒.&. 25TL Bfi- JpI秒Nd vAGL%r i滸睛外輯的效依 黃括蛉.艷押R箱恭般革會(huì)子處在1或3淋】寫厘有酒實(shí)昵盼毀ImL觥黃御 0.10-0.1330KrF 激NM肆Eg用MX攻 于即虧物i踐展鳴:實(shí)黑機(jī)1:_.一 電孑場(chǎng)鑿0.1T-C.2地孫KrF|邀咒器坂污校和擊機(jī)珥脫工業(yè)化沖4TD場(chǎng)的iftKrP有清涯姓|_,主 42tq-6LE*r a axjJtejtisK骨代化季清法 涪.達(dá)剽完全潔清鹽現(xiàn)工井goII lo:YAG酒酰璀展聚了 用

7、于此方伺的推方咒崎秸洗11_m_i_l 1lOCUijpuisB23HHI1KjS=激光誹爭(zhēng)口融吁玉職率 L軼島處工業(yè)中更i*箱罹4原理：激光清洗機(jī)理大致可分為兩大類：一是利用清潔基體與污染物對(duì)某一 特定波長(zhǎng)的激光吸收系數(shù)差別很大，或者兩者溶、沸點(diǎn)溫度有一定差距，污物吸 收激光能量后，或汽化揮發(fā)，或瞬間受熱膨脹并被蒸汽帶離基體表面，從而達(dá)到清洗的目的，對(duì)于此類激光清洗，激光波長(zhǎng)的選擇和激光能量的控制是影響清洗 效果的關(guān)鍵。另一類是基體材料與覆著其上的污染層的特性差異不大，多采用高 能量密度、高重復(fù)頻率的脈沖激光。污染層在激光脈沖作用下迅速升溫到較高的 峰值溫度，而基體表面溫度較低，在污染層中形

8、成很大的溫度梯度，隨后的冷卻 過程中產(chǎn)生強(qiáng)分裂應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)分裂應(yīng)力大于污物與基體材料表面的親合力時(shí)， 便使得污物與基體材料表面脫離，再被真空泵吸走，而基體不受損傷。根據(jù)材料 吸收熱量與光波長(zhǎng)的關(guān)系，不同基體材料和污染物，需采用不同波長(zhǎng)的激光和激 光工藝參數(shù)。如圖1是激光清洗裝置示意圖。激光從激光發(fā)生器里發(fā)出，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)傳 輸，再經(jīng)透鏡聚焦到基體表面。由計(jì)算機(jī)控制激光能量、脈沖頻率、作用時(shí)間以 及工件的移動(dòng)。監(jiān)視測(cè)試系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離對(duì)清洗效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖1激光清 洗裝置是針對(duì)較小的清洗部件，移動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)部件上不同區(qū)域的清洗。對(duì)于大 的笨重物件或定型的不能移動(dòng)的大結(jié)構(gòu)物件的激光清洗（如除銹等

9、）?？赏ㄟ^激光 束逐點(diǎn)平移和小角度往復(fù)偏轉(zhuǎn)，在較遠(yuǎn)距離的待清洗物件上形成激光掃描，實(shí)現(xiàn) 清洗。為了提高清洗工效，在保證清洗效果的激光能量密度條件下，可以用一適 當(dāng)?shù)闹瓮哥R，在適當(dāng)距離將圓柱形激光束擴(kuò)展為條帶狀，增大激光作用面積， 從而提高激光清洗的工作效率，如圖2所示。瞰機(jī)控制系坑監(jiān)WWI試系完瞰機(jī)控制系坑監(jiān)WWI試系完圖I激光清洗裝里示意圖圖2柱形姓統(tǒng)提高激光工致圖激光清洗采用的激光有波長(zhǎng)248nm的KrF準(zhǔn)分子激光、波長(zhǎng)308nm的XeCl 準(zhǔn)分子激光、波長(zhǎng)193nm的ArF準(zhǔn)分子激光、Nd: YAG固體激光、CO2激光以及 半導(dǎo)體激光等。一般來說，在高精度的要求高于大體積清除或成本的要

10、求時(shí)，準(zhǔn) 分子激光器是較為合適的工具；在其他情況下則以CO2和固體激光器為佳。對(duì)于 微電子工業(yè)來說，一般選用準(zhǔn)分子激光器，如KrF準(zhǔn)分子；對(duì)于模具的清洗則采 用CO2或YAG激光器比較好；而對(duì)于激光敷層的清除，CO2激光器的效果最好，特 別是TEA CO2激光器在這一領(lǐng)域極具發(fā)展前途；由于CO2激光器不能用光纖傳送， 遠(yuǎn)程清洗應(yīng)用受到很大限制，這為YAG激光器的應(yīng)用提供了廣闊的空間。激光清洗的基本機(jī)制包括一系列復(fù)雜的物理及化學(xué)效應(yīng)，到目前為止還沒有 一個(gè)統(tǒng)一全面的定量理論模型。激光清洗過程中的基本動(dòng)力學(xué)過程是物質(zhì)吸收入 射光能之后產(chǎn)生瞬態(tài)超熱溫度驟然升高，沒有輔助液膜時(shí)雖然這個(gè)溫升尚不足以 使

11、基體表面蒸發(fā)（否則就會(huì)造成表面損傷），但由此而帶來的基體表面熱膨脹產(chǎn)生 了一個(gè)很大的加速度使得吸附的微粒被噴射出去這一過程可以認(rèn)為是在脈沖激 光持續(xù)時(shí)間內(nèi)完成的3。激光清洗的方法一般有四種4：（1）激光干洗法，即采用脈沖激光直接輻射 去污；（2）激光+液膜的方法，即首先沉積一層液膜于基體表面，然后用激光使 液膜發(fā)生爆炸去污；（3）激光+惰性氣體的方法，即激光輻射的同時(shí)，用惰性氣 體吹向工件表面，當(dāng)污物從表面剝離后，就被氣體遠(yuǎn)遠(yuǎn)吹離表面，避免清潔表面 再次污染和氧化；（4）用激光使污物松散后，再用非腐蝕性的化學(xué)方法去污。目 前在工業(yè)生產(chǎn)中主要采用前面三種清洗方法，其中激光干洗法取激光+液膜清洗

12、方法用得最多；第四種方法僅見于藝術(shù)品的清洗保護(hù)中。.激光清洗技術(shù)與傳統(tǒng)清洗方法相比，激光清洗技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）激 光清洗是一種“干式”清洗，不需清潔液和其它化學(xué)溶液，因此沒有化學(xué)清洗產(chǎn) 生的環(huán)境污染，是一種“綠色”清洗工藝。（2 ）激光清洗是一種非接觸處理，可 通過光纖傳輸與機(jī)器人或機(jī)械手聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，能清洗傳統(tǒng)方法不易達(dá) 到的部位。（3）激光清洗能清除各種材料表面的不同類型的污物，達(dá)到很高的潔 凈度，而且還可以選擇性地清洗材料表面的污物，不損傷材料的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)。激光清洗的典型應(yīng)用之一是文物的保護(hù)與清洗：銹蝕的古錢幣、彩繪在羊皮 紙上的古畫，甚至砂巖上的陳舊的雕刻畫都能用激光

13、清洗，恢復(fù)其本來面目?？?學(xué)家采用激光清洗法國(guó)巴黎盧浮宮中的油畫，將原來已經(jīng)因?yàn)榉N種原因保護(hù)不善 而看不清畫面的油畫恢復(fù)了原貌。該原理同樣適用于清洗很大的房屋。近年來， 德國(guó)人采用激光清洗技術(shù)甚至成功地清洗了科隆大教堂這座舉世矚目的大型歷 史建筑。激光清洗技術(shù)在工業(yè)中同樣大有用武之地：飛機(jī)的表面過一定時(shí)間后要 重新噴漆，但是，噴漆之前需要將原來的舊油漆完全除去。傳統(tǒng)的機(jī)械清除油漆 法容易對(duì)飛機(jī)的金屬表面造成損傷，給安全飛行帶來隱患。如采用多個(gè)激光系統(tǒng)， 可以在兩天之內(nèi)將一架波音737飛機(jī)表面的漆層完全除掉，而不會(huì)損傷到金屬 表面。科學(xué)家還將激光清洗技術(shù)應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆內(nèi)管道的清洗：它采用光導(dǎo)

14、 纖維，將高功率激光束引入反應(yīng)堆內(nèi)部，清洗下來的物質(zhì)呈粉末狀態(tài)，體積小， 易處理。而且，激光清洗可以遠(yuǎn)距離操作，更是可以確保操作人員的安全，因此 備受人們青睞。電瓷絕緣子的清洗：在各種輸電線路中少不了電瓷絕緣子，其表 面很容易沾染各種污穢，如塵埃，鳥糞等。這些污染物，在環(huán)境濕度增加使得絕 緣子表面濕潤(rùn)時(shí)，其絕緣電阻迅速下降，形成沿絕緣子表面的污穢閃絡(luò)放電，往 往造成電網(wǎng)大面積停電。統(tǒng)計(jì)表明霧天的污閃事故占電力線路事故的21%。目 前防污閃的主要措施是帶電水清洗，定期清掃，涂覆硅脂甚至更換絕緣子。這些 方法的工作量很大，勞動(dòng)強(qiáng)度也很大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沖洗和更換絕緣子占線路檢修工 作量的60 一 70%

15、反因此，對(duì)電瓷絕緣子的清洗是電力部門一直沒有很好解決 的間題。由于激光清洗的上述優(yōu)點(diǎn)它極有希望在此領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。醫(yī)療器械 的清洗：在醫(yī)院中，醫(yī)療器械的清洗消毒是一項(xiàng)非常重要的工作一般的清洗消毒 過程是先用水或其他溶液清洗之后再用高溫高壓消毒滅菌。由于中間環(huán)節(jié)多，增 加了疾病傳染的可能性，清洗消毒時(shí)間較長(zhǎng)，而且產(chǎn)生大量污水污物。而利用脈 沖激光在材料表面產(chǎn)生高壓高溫，不但可以快速地清除醫(yī)療器件上的各種污跡， 而且也可以殺死各種細(xì)菌與病毒，同時(shí)達(dá)到了清洗和消毒的雙重目的，大大減少 了中間環(huán)節(jié)，節(jié)約了清洗時(shí)間。以上這些只是激光清洗技術(shù)應(yīng)用的少數(shù)幾個(gè)例子。激光清洗技術(shù)近兩年發(fā) 展很快，不論是對(duì)激光

16、清洗的工藝參數(shù)和清洗機(jī)理、清洗對(duì)象的研究或是應(yīng)用 方面的研究都取得了很大的進(jìn)展。但由于激光器及其配套硬件的費(fèi)用較高，使 激光清洗技術(shù)的應(yīng)用范圍受到極大的限制，特別在低成本對(duì)象的清洗中還難以 承受。綜上所述，激光清洗技術(shù)具有綠色、環(huán)保、成本低、高效、不用接觸基片 表面等明顯優(yōu)于其它清洗方法的優(yōu)勢(shì),具有廣泛的應(yīng)用前景。相信隨著激光器的 發(fā)展和激光清洗技術(shù)的不斷完善，它將會(huì)在各種清洗領(lǐng)域里得到越來越多的應(yīng) 用。激光清洗技術(shù)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、建筑、文物保護(hù)和醫(yī)藥等很多領(lǐng)域。 作為近年才發(fā)展起來的新型清洗技術(shù)，激光清洗與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比具有很多 優(yōu)越性，在一些特殊領(lǐng)域甚至是唯一有效的清洗技術(shù)。但激光清洗技術(shù)的應(yīng)用 潛力還遠(yuǎn)未得到開發(fā)，