激光清洗技术综述

摘要：激光清洗技术是利用激光处理待清洗物体,在激光脉冲作用下使污染物从物体表面脱离。由于激光清洗可通过调整激光波长、脉宽、作用时间和作用方式等来适应不同污染物和不同基底的清洗要求,因此广泛适用于各种清洗对象,并常用于一些特殊功能的清洗,解决常规清洗所不能解决的问题。此外,与其它清洗技术相比,激光清洗具有无污染、效率高、低成本等优点,因而研究和应用更加广泛。本文论述的光学元件表面的激光清洗方法是针对目前常规清洗无法完成的光栅清洗和光学元件在线清洗，为系统中的光栅洁净和高功率固体激光装置中的光学元件在线洁净提供了一条新的路径。关键词：激光清洗；光学元件；污染。引言：一提到清洗，人们很容易联想到水和其它液体，因为用液体清洗固体表面的污染物是千百年来人们最常使用的方法。但是污染的种类很多，污染附着的物体的种类也各不相同。有些物体上的污染很难甚至无法用水和一般化学清洗剂来清洗干净，比如文物上的污渍、轮船外壳上的锈蚀的油漆、电子线路板上的微粒、硅片上的污染物等。一般清洗这些主要使用的是如机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法等。但是这些方法都存在着一些缺点，机械方法无法满足高清洁度清洗要求；化学清洗方法容易导致环境污染；超声波清洗法尽管清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了被清洗零件的范围和复杂程度。这些缺点都限制了传统清洗技术的发展。随着激光技术的发展，激光清洗最为一种新型的清洗方式进入了人们的视野。它是一种新型高效的环保清洗技术，可利用激光的方向性和高亮度来清除掉材料表面的污染物。激光清洗的机理主要是基于物体表面污染物吸收激光能量后，或汽化挥发，或瞬间受热膨胀而克服表面对粒子的吸附力，使其脱离物体表面，进而达到清洗的目的[1]。国外的发展:激光清洗最早报道于年,前苏联的几位科学家利用激光技术去除水面漂浮的石油。而真正意义上的激光清洗技术研究开始于20世纪80年代中期,利用该技术成功清除存储器模板上的微小颗粒,从此激光清洗技术开始受到广泛的关注和研究,并被正式确认为一种有效的清洗方法。在1987年,由Pentrov领导的研究小组发表了第一篇有关激光清除小颗粒的文献.同年,有三个研究小组分别独立地发现了激光清洗的效果.此外,IBM的Andrew所领导的科研小组对激光清洗技术进行了长期的研究,将激光清洗的机理研究得最为透彻,并在工业应用中做出了杰出贡献,特别是在湿式激光清洗方面做出了许多有益的研究成果。快就报道了湿式蒸汽激光清洗,在20世纪80年代末,研究人员发现,在固体表面覆盖一层液体“辅助层”更有利于污染颗粒的清除。目前IBM、Intel等公司都在开展研究。国外清洗技术方面的研究情况见见表1[2]。国内的发展:国内的激光清洗技术是近年才起步的，国内关于激光清洗技术的研究仍然处于参数和机理研究阶段，在应用方面还是一片空白，基本上是跟踪国外的发展，国内清洗技术方面的研究情况见表2。在我国,激光清洗技术在各个应用领域的研究已经相续开展,相信在不久的将来这项技术在我国一定会被广泛地应用。原理：激光清洗机理大致可分为两大类：一是利用清洁基体与污染物对某一特定波长的激光吸收系数差别很大，或者两者溶、沸点温度有一定差距，污物吸收激光能量后，或汽化挥发，或瞬间受热膨胀并被蒸汽带离基体表面，从而达到清洗的目的，对于此类激光清洗，激光波长的选择和激光能量的控制是影响清洗效果的关键。另一类是基体材料与覆着其上的污染层的特性差异不大，多采用高能量密度、高重复频率的脉冲激光。污染层在激光脉冲作用下迅速升温到较高的峰值温度，而基体表面温度较低，在污染层中形成很大的温度梯度，随后的冷却过程中产生强分裂应力，当这个分裂应力大于污物与基体材料表面的亲合力时，便使得污物与基体材料表面脱离，再被真空泵吸走，而基体不受损伤。根据材料吸收热量与光波长的关系，不同基体材料和污染物，需采用不同波长的激光和激光工艺参数。如图1是激光清洗装置示意图。激光从激光发生器里发出，经过光学系统传输，再经透镜聚焦到基体表面。由计算机控制激光能量、脉冲频率、作用时间以及工件的移动。监视测试系统可以远距离对清洗效果进行实时监测。图1激光清洗装置是针对较小的清洗部件，移动工作台实现部件上不同区域的清洗。对于大的笨重物件或定型的不能移动的大结构物件的激光清洗(如除锈等)。可通过激光束逐点平移和小角度往复偏转，在较远距离的待清洗物件上形成激光扫描，实现清洗。为了提高清洗工效,在保证清洗效果的激光能量密度条件下，可以用一适当的柱形透镜，在适当距离将圆柱形激光束扩展为条带状，增大激光作用面积，从而提高激光清洗的工作效率，如图2所示。激光清洗采用的激光有波长248nm的KrF准分子激光、波长308nm的XeCl准分子激光、波长193nm的ArF准分子激光、Nd:YAG固体激光、CO2激光以及半导体激光等。一般来说，在高精度的要求高于大体积清除或成本的要求时，准分子激光器是较为合适的工具；在其他情况下则以CO2和固体激光器为佳。对于微电子工业来说，一般选用准分子激光器，如KrF准分子；对于模具的清洗则采用CO2或YAG激光器比较好；而对于激光敷层的清除，CO2激光器的效果最好，特别是TEACO2激光器在这一领域极具发展前途；由于CO2激光器不能用光纤传送，远程清洗应用受到很大限制，这为YAG激光器的应用提供了广阔的空间。激光清洗的基本机制包括一系列复杂的物理及化学效应，到目前为止还没有一个统一全面的定量理论模型。激光清洗过程中的基本动力学过程是物质吸收入射光能之后产生瞬态超热温度骤然升高，没有辅助液膜时虽然这个温升尚不足以使基体表面蒸发(否则就会造成表面损伤)，但由此而带来的基体表面热膨胀产生了一个很大的加速度使得吸附的微粒被喷射出去这一过程可以认为是在脉冲激光持续时间内完成的[3]。激光清洗的方法一般有四种[4]：（1）激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污；（2）激光+液膜的方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光使液膜发生爆炸去污；（3）激光+惰性气体的方法，即激光辐射的同时，用惰性气体吹向工件表面，当污物从表面剥离后，就被气体远远吹离表面，避免清洁表面再次污染和氧化；（4）用激光使污物松散后，再用非腐蚀性的化学方法去污。目前在工业生产中主要采用前面三种清洗方法，其中激光干洗法取激光＋液膜清洗方法用得最多；第四种方法仅见于艺术品的清洗保护中。.激光清洗技术与传统清洗方法相比，激光清洗技术具有许多优点：（1）激光清洗是一种“干式”清洗，不需清洁液和其它化学溶液，因此没有化学清洗产生的环境污染，是一种“绿色”清洗工艺。（2）激光清洗是一种非接触处理，可通过光纤传输与机器人或机械手联合，实现自动化操作，能清洗传统方法不易达到的部位。（3）激光清洗能清除各种材料表面的不同类型的污物，达到很高的洁净度，而且还可以选择性地清洗材料表面的污物，不损伤材料的内部组成和结构。激光清洗的典型应用之一是文物的保护与清洗：锈蚀的古钱币、彩绘在羊皮纸上的古画，甚至砂岩上的陈旧的雕刻画都能用激光清洗，恢复其本来面目。科学家采用激光清洗法国巴黎卢浮宫中的油画，将原来已经因为种种原因保护不善而看不清画面的油画恢复了原貌。该原理同样适用于清洗很大的房屋。近年来，德国人采用激光清洗技术甚至成功地清洗了科隆大教堂这座举世瞩目的大型历史建筑。激光清洗技术在工业中同样大有用武之地：飞机的表面过一定时间后要重新喷漆，但是，喷漆之前需要将原来的旧油漆完全除去。传统的机械清除油漆法容易对飞机的金属表面造成损伤，给安全飞行带来隐患。如采用多个激光系统,可以在两天之内将一架波音737飞机表面的漆层完全除掉，而不会损伤到金属表面。科学家还将激光清洗技术应用于核电站反应堆内管道的清洗：它采用光导纤维，将高功率激光束引入反应堆内部，清洗下来的物质呈粉末状态，体积小，易处理。而且，激光清洗可以远距离操作，更是可以确保操作人员的安全，因此备受人们青睐。电瓷绝缘子的清洗：在各种输电线路中少不了电瓷绝缘子，其表面很容易沾染各种污秽，如尘埃，鸟粪等。这些污染物，在环境湿度增加使得绝缘子表面湿润时，其绝缘电阻迅速下降，形成沿绝缘子表面的污秽闪络放电，往往造成电网大面积停电。统计表明雾天的污闪事故占电力线路事故的21%。目前防污闪的主要措施是带电水清洗，定期清扫，涂覆硅脂甚至更换绝缘子。这些方法的工作量很大，劳动强度也很大。据统计，冲洗和更换绝缘子占线路检修工作量的60一70%[5]。因此，对电瓷绝缘子的清洗是电力部门一直没有很好解决的间题。由于激光清洗的上述优点它极有希望在此领域得到广泛应用。医疗器械的清洗：在医院中，医疗器械的清洗消毒是一项非常重要的工作一般的清洗消毒过程是先用水或其他溶液清洗之后再用高温高压消毒灭菌。由于中间环节多，增加了疾病传染的可能性，清洗消毒时间较长，而且产生大量污水污物。而利用脉冲激光在材料表面产生高压高温，不但可以快速地清除医疗器件上的各种污迹，而且也可以杀死各种细菌与病毒，同时达到了清洗和消毒的双重目的，大大减少了中间环节，节约了清洗时间。以上这些只是激光清洗技术应用的少数几个例子。激光清洗技术近两年发展很快，不论是对激光清洗的工艺参数和清洗机理、清洗对象的研究或是应用方面的研究都取得了很大的进展。但由于激光器及其配套硬件的费用较高，使激光清洗技术的应用范围受到极大的限制，特别在低成本对象的清洗中还难以承受。综上所述，激光清洗技术具有绿色、环保、成本低、高效、不用接触基片表面等明显优于其它清洗方法的优势,具有广泛的应用前景。相信随着激光器的发展和激光清洗技术的不断完善，它将会在各种清洗领域里得到越来越多的应用。激光清洗技术现在已广泛应用于工业、建筑、文物保护和医药等很多领域。作为近年才发展起来的新型清洗技术，激光清洗与传统清洗技术相比具有很多优越性，在一些特殊领域甚至是唯一有效的清洗技术。但激光清洗技术的应用潜力还远未得到开发，随着激光器性能的不断提高和价格的下降，激光清洗技术将更广泛地应用于人类的生产生活中。参考文献:[1]陈家璧,彭润玲.激光原理及应用.北京:电子工业出版社，2011.[2]赵志明.激光清洗技术在微电子领域的应用，《清洗技术》第2卷第8期，2004.[3]王豫,陆冬生,安承武.新颖的激光清洗技术,激光技术国家重点实验室资助项目.1996[4]许仁军,张永康,陈菊芳.激光清洗技术概述,光子科技创新与产业化长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集,2006.[5]朱德恒,严璋.高电压绝缘.北京：清华大学出版社,1992.