激光清洗技術(shù)是激光技術(shù)在工程領(lǐng)域的一種成功應(yīng)用，其基本原理是利用激光能量密度高的特點(diǎn)，使激光與工件基底上附著的污染物相互作用，以瞬間受熱膨脹、熔化、氣體揮發(fā)等形式與工件基底分離。激光清洗技術(shù)具有高效、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于輪胎模具清洗、飛機(jī)機(jī)體除漆、文物修復(fù)等領(lǐng)域。
傳統(tǒng)清洗技術(shù)包括機(jī)械摩擦清洗（噴砂清洗、高壓水槍清洗等）、化學(xué)腐蝕清洗、超聲波清洗、干冰清洗等，這些清洗技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如噴砂清洗通過選擇不同硬度的磨料可以清洗金屬繡斑、金屬表面毛刺、電路板表面三防漆等，化學(xué)腐蝕清洗技術(shù)廣泛用于設(shè)備表面油垢清洗、鍋爐水垢清洗、輸油管路清洗等領(lǐng)域。雖然這些清洗技術(shù)已發(fā)展成熟，但仍然存在一些問題，如噴砂清洗容易對(duì)處理表面造成損傷，化學(xué)腐蝕清洗會(huì)造成環(huán)境污染、處理不當(dāng)時(shí)導(dǎo)致清理表面腐蝕。
激光清洗技術(shù)的出現(xiàn)是對(duì)清洗技術(shù)的一次革命。激光清洗技術(shù)利用了激光的能量密度高、精度高、可高效傳導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)清洗技術(shù)在清洗效率、清洗精度、清理位置等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可有效避免化學(xué)腐蝕清洗等清洗技術(shù)會(huì)造成的環(huán)境污染，且不會(huì)對(duì)基底產(chǎn)生損傷。
激光清洗的原理
那么什么是激光清洗呢？激光清洗是通過激光束照射從固體（或有時(shí)為液體）表面去除材料的過程。在低激光通量下，材料被吸收的激光能量加熱并蒸發(fā)或升華。在高激光通量下，材料通常會(huì)轉(zhuǎn)換為等離子體。通常，激光清洗是指用脈沖激光去除材料，但是如果激光強(qiáng)度足夠高，則可以用連續(xù)波激光束燒蝕材料。深紫外光的準(zhǔn)分子激光器主要用于光燒蝕。用于光燒蝕的激光波長(zhǎng)約為200nm。吸收激光能量的深度以及單個(gè)激光脈沖去除的材料量取決于材料的光學(xué)特性以及激光波長(zhǎng)和脈沖長(zhǎng)度。每個(gè)激光脈沖從靶標(biāo)燒蝕的總質(zhì)量通常稱為燒蝕率。激光束掃描速度和掃描線覆蓋率等激光輻射特征會(huì)顯著影響燒蝕過程。
干式激光清洗即脈沖激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹或基底熱振動(dòng)，進(jìn)而使二者分離。該方法大致分為2種情況：一種是表面污染物吸收激光膨脹；另一種是基底吸收激光產(chǎn)生熱振動(dòng)。1969年，S.M.Bedair 等人發(fā)現(xiàn)包括熱處理、化學(xué)腐蝕、噴砂清洗等表面處理方法均存在不同的缺點(diǎn)，同時(shí)，利用激光聚焦后的高能量密度可以使材料表面蒸發(fā)的現(xiàn)象存在無損清洗材料表面的可能，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用功率密度為30 MW/cm2 的紅寶石調(diào)Q 激光可以實(shí)現(xiàn)不損傷基底的情況清洗硅材表面污染物，首次實(shí)現(xiàn)了利用激光清洗材料表面污染物，即激光干式清洗。整體速率可以通過膜層碎片脫離率進(jìn)行表達(dá)，如下式：
式中，ε—激光脈沖能量指標(biāo)，h—污染物膜層厚度指標(biāo)，E—膜層的彈性模量指標(biāo)。在脈沖激光照射待洗工件前，先進(jìn)行表面預(yù)涂液膜，在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化，氣化的瞬間產(chǎn)生沖擊波，作用在污染物顆粒中，使其從基體上脫落。此方法要求基體與液膜不能發(fā)生反應(yīng)，故限制了應(yīng)用材料的范圍。1991年，K.Imen 等人針對(duì)使用傳統(tǒng)清洗方法處理后半導(dǎo)體晶圓、金屬材料等表面有亞微米顆粒污染物殘留的問題，研究了在材料基體表面涂覆一種可高效吸收激光的薄膜，隨后使用CO2 激光器進(jìn)行照射，薄膜吸收激光能量后溫度迅速升高并沸騰，產(chǎn)生爆炸性汽化，將基體表面的污染物帶走。這種清洗方式即為激光濕式清洗。激光等離子體沖擊波是在激光照射過程中擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波，沖擊波作用在待洗基體表面并且釋放能量將污染物去除；激光未作用于基體，因此對(duì)基體不產(chǎn)生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)現(xiàn)已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物，并且對(duì)激光波長(zhǎng)沒有限制。a) 激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收。b) 大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩(wěn)定氣體），產(chǎn)生沖擊波。d) 光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。e) 實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)金屬表面上有氧化物時(shí)，等離子體產(chǎn)生于金屬表面。等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產(chǎn)生，這個(gè)閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個(gè)閾值效應(yīng)對(duì)在保證基底材料安全的情況下進(jìn)行有效清潔非常重要。等離子體的出現(xiàn)還存在第二個(gè)閾值。如果能量密度超過這一閾值，則基底材料將被破壞。為在保證基底材料安全的前提下進(jìn)行有效的清潔，必須根據(jù)情況調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴(yán)格處于兩個(gè)閾值之間。2001年，J.M.Lee 等人利用高功率激光聚焦時(shí)會(huì)產(chǎn)生等離子體沖擊波的特點(diǎn)，使用能量密度為2.0 J/cm2（遠(yuǎn)大于硅片的損傷閾值）的脈沖激光平行于硅片進(jìn)行照射，成功清洗了吸附在硅片表面的1 μm 鎢顆粒。這種清洗方式即為激光等離子體沖擊波清洗，嚴(yán)格意義上說，激光等離子體沖擊波清洗是干式激光清洗的一種。上述3 種激光清洗技術(shù)最初的的目均為清洗半導(dǎo)體晶圓表面的微小顆粒，可以說激光清洗技術(shù)是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的。但是激光清洗技術(shù)不斷應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如輪胎模具清洗、飛機(jī)蒙皮除漆、文物表面修復(fù)等。在激光輻射的同時(shí)，可用惰性氣體吹向基體表面，當(dāng)污物從表面剝離后會(huì)立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化。半導(dǎo)體晶圓及光學(xué)基片的清洗半導(dǎo)體晶圓和光學(xué)基片在加工過程中存在相同的工藝，即將原材料以切割、磨削等形式加工為需要的形狀。在這個(gè)過程中會(huì)引入顆粒狀污染物，這些污染物難以清除且重復(fù)污染問題嚴(yán)重。半導(dǎo)體晶圓表面的污染物會(huì)影響電路板印刷的質(zhì)量，進(jìn)而縮短半導(dǎo)體芯片的使用壽命。光學(xué)基片表面的污染物會(huì)影響光學(xué)器件及鍍膜的質(zhì)量，可能會(huì)導(dǎo)致能量不均勻，縮短使用壽命。由于激光干式清洗容易造成基體表面損傷，這種清洗方式在半導(dǎo)體晶圓與光學(xué)基片的清洗中應(yīng)用較少，激光濕式清洗和激光等離子體沖擊波清洗在該領(lǐng)域中有著較多成功的應(yīng)用。徐傳義等研究了在超光滑光學(xué)基片表面沉積微米級(jí)特制磁漆作為介質(zhì)膜，隨后使用脈沖激光器進(jìn)行清洗，清洗效果較好，雖然其單位面積的雜質(zhì)顆粒物增多，但是雜質(zhì)顆粒尺寸和覆蓋面積均明顯下降，該方法可以有效清洗超光滑光學(xué)基片表面的微米級(jí)污染物顆粒。張平研究了激光等離子體清洗技術(shù)中工作距離和激光能量對(duì)不同粒徑污染物顆粒清洗效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于導(dǎo)電玻璃基片上的聚苯乙烯顆粒，能量為240 mJ 激光的最佳工作距離為1.90 mm，隨著激光能量的增加清理效果明顯增加，且大顆粒污染物更容易清理。金屬材料表面的清理金屬材料表面的清理相較于半導(dǎo)體晶圓及光學(xué)基片的清洗而言，清理的污染物屬于宏觀范疇。金屬材料表面的污染物主要有氧化層（銹蝕層）、漆層、涂層、其他附著物等，按污染物類型可分為有機(jī)污染物（如漆層、涂層）和無機(jī)污染物（如銹蝕層）。金屬材料表面污染物的清理主要為了滿足后續(xù)加工或使用要求，如鈦合金零件焊接前需清除材料表面約10μm厚的氧化層，飛機(jī)大修時(shí)需清除蒙皮表面原有的油漆涂層以便于重新噴涂，橡膠輪胎模具需定期清理其附著的橡膠顆粒以保證表面的清潔度進(jìn)而保證生產(chǎn)輪胎的質(zhì)量及模具的壽命。金屬材料的損傷閾值較其表面污染物的激光清洗閾值要高，通過選擇合適功率激光即可達(dá)到較好的清洗效果，在一些領(lǐng)域已成熟應(yīng)用。王利華等人研究了激光清洗技術(shù)在處理鋁合金和鈦合金表面氧化皮中的應(yīng)用，研究結(jié)果表明使用能量密度為5.1 J/cm2 的激光可在清理A5083-111H 鋁合金表面氧化層的同時(shí)保持基底的良好質(zhì)量，使用平均功率為100 W 的脈沖激光以掃描的方式可有效清洗鈦合金表面的氧化層并提高材料表面硬度。國(guó)內(nèi)銳科激光、大族激光、深圳創(chuàng)鑫等公司研制的激光清洗設(shè)備已廣泛應(yīng)用于輪胎等橡膠模具、金屬銹蝕層、零部件表面油污等清洗。
文物和紙張表面的清理金屬文物和石質(zhì)文物等由于歷史悠久，在其表面會(huì)出現(xiàn)如灰垢、墨跡等污染物，需將這些污染物進(jìn)行清理以復(fù)原文物。書畫等紙張?jiān)诖鎯?chǔ)不當(dāng)時(shí)其表面會(huì)生長(zhǎng)霉菌并形成菌斑，這些菌斑嚴(yán)重影響了紙張的原貌，尤其是對(duì)于文化或歷史價(jià)值高的紙張，會(huì)影響其欣賞和保護(hù)。趙瑩等人研究了紫外激光清洗宣紙上霉菌菌斑的可行性，試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用能量密度為3.2 J/mm2 的激光掃描1 次可清除薄的菌斑，掃描2 次可將菌斑清除干凈，但是如果使用的激光能量過高，會(huì)在清除菌斑的同時(shí)損壞宣紙。張曉彤等人采用激光垂直照射液膜法成功修復(fù)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復(fù)中使用了激光清洗技術(shù)。袁曉東等人研究了激光清洗技術(shù)在石質(zhì)文物清洗中應(yīng)用的效果，分別對(duì)比了清洗前后砂巖本體的損傷及墨跡清洗、煙熏污染清洗、油漆污染清洗的效果。激光清洗技術(shù)是一種較為先進(jìn)的技術(shù)，在航空航天、軍工裝備、電子電氣等高精尖領(lǐng)域具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。目前激光清洗技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域成熟應(yīng)用，得益于其高效、環(huán)保、清洗效果好等特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸拓寬。激光清洗技術(shù)的發(fā)展不僅已經(jīng)在除漆、除銹等領(lǐng)域成熟應(yīng)用，近些年又有利用激光清洗金屬絲表面氧化層的報(bào)道?，F(xiàn)有領(lǐng)域的拓展應(yīng)用和新領(lǐng)域的應(yīng)用是激光清洗技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。新型激光清洗設(shè)備的研制開發(fā)以及新型激光清洗設(shè)備的開發(fā)會(huì)出現(xiàn)分化，發(fā)展出各種各樣的功能。在未來通過與工業(yè)機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)激光清洗也是可以實(shí)現(xiàn)的。激光清洗技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下： （1）加強(qiáng)激光清洗理論研究，指導(dǎo)激光清洗技術(shù)應(yīng)用。查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，激光清洗技術(shù)沒有成熟的理論體系支撐，多數(shù)研究都是基于試驗(yàn)開展的。建立激光清洗理論體系是激光清洗技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成熟的基礎(chǔ)。（2）現(xiàn)有領(lǐng)域的拓展應(yīng)用及新領(lǐng)域的應(yīng)用。激光清洗技術(shù)已經(jīng)在除漆、除銹等領(lǐng)域成熟應(yīng)用，近些年又有利用激光清洗金屬絲表面氧化層的報(bào)道?，F(xiàn)有領(lǐng)域的拓展應(yīng)用和新領(lǐng)域的應(yīng)用是激光清洗技術(shù)發(fā)展的沃土。（3）新型激光清洗設(shè)備的研制開發(fā)。新型激光清洗設(shè)備的開發(fā)會(huì)出現(xiàn)分化，一類是覆蓋多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域具有一定通用性的設(shè)備，如一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)除漆和除銹功能，另一類是針對(duì)特定需求的專用設(shè)備，如為了清洗小空間內(nèi)部的污染物可能需要設(shè)計(jì)特定工裝或者光纖實(shí)現(xiàn)功能。通過與工業(yè)機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)激光清洗也是一個(gè)熱門的應(yīng)用方向。
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