1、摘要：激光清洗技術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整激光波長、脈寬、作用時間和作用方式 等來適應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象，并 常用于一些特殊功能的清洗，解決常規清洗所不能解決的問題。此外，與其它清洗 技術相比，激光清洗具有無污染、效率高、低成本等優點，因而研究和應用更加廣 泛。本文論述的光學元件表面的激光清洗方法是針對目前常規清洗無法完成的光 柵清洗和光學元件在線清洗，為系統中的光柵潔凈和高功率固體激光裝置中的光 學元件在線潔凈提供了一條新的路徑。關鍵詞：激光清洗；光學元件；污染。引言：一提到清洗，人們很

2、容易聯想到水和其它液體，因為用液體清洗固體表面的 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械清洗法、化學清洗法和超 聲波清洗法等。但是這些方法都存在著一些缺點，機械方法無法滿足高清潔度清 洗要求；化學清洗方法容易導致環境污染；超聲波清洗法盡管清洗效果不錯，但 對亞微米級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雜 程度。這些缺點都限制了傳統清洗技術的發展。隨著

3、激光技術的發展，激光清洗最為一種新型的清洗方式進入了人們的視野。它 是一種新型高效的環保清洗技術，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，或瞬間受熱膨脹而克服表面對粒子的吸附力，使其脫離物體表面，進而 達到清洗的目的1。國外的發展：激光清洗最早報道于年，前蘇聯的幾位科學家利用激光技術去 除水面漂浮的石油。而真正意義上的激光清洗技術研究開始于20世紀80年代中期, 利用該技術成功清除存儲器模板上的微小顆粒，從此激光清洗技術開始受到廣泛 的關注和研究，并被正式確認為一種有效的清洗方法。在1987年，由Pentrov領

4、 導的研究小組發表了第一篇有關激光清除小顆粒的文獻.同年，有三個研究小組 分別獨立地發現了激光清洗的效果.此外，IBM的Andrew所領導的科研小組對激 光清洗技術進行了長期的研究，將激光清洗的機理研究得最為透徹，并在工業應 用中做出了杰出貢獻，特別是在濕式激光清洗方面做出了許多有益的研究成果。 快就報道了濕式蒸汽激光清洗，在20世紀80年代末，研究人員發現，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。國外清洗技術方面的研究情況見見表1 2。國內的發展：國內的激光清洗技術是近年才起步的，國內關于激光清洗技術 的研究仍然處于參數和機理研究

5、階段，在應用方面還是一片空白，基本上是跟蹤 國外的發展，國內清洗技術方面的研究情況見表2。在我國，激光清洗技術在各個 應用領域的研究已經相續開展，相信在不久的將來這項技術在我國一定會被廣泛 地應用。*2胴向就旖技木的情嘵EH狀球部竣氏網J匚 ;啊以Tj木平|部1I 激湛 ；徜岬/桀盼一 31/icW二 .,rB.時固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 團而平哩皚度痛1國外福所檢溜敢研究理世主堂斷馳氈找內&1我孑禎 scm蹬uti尹TTi中 同用痛1國外福所檢溜敢研究理世

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7、于此方伺的推方咒崎秸洗11_m_i_l 1lOCUijpuisB23HHI1KjS=激光誹爭口融吁玉職率 L軼島處工業中更i*箱罹4原理：激光清洗機理大致可分為兩大類：一是利用清潔基體與污染物對某一 特定波長的激光吸收系數差別很大，或者兩者溶、沸點溫度有一定差距，污物吸 收激光能量后，或汽化揮發，或瞬間受熱膨脹并被蒸汽帶離基體表面，從而達到清洗的目的，對于此類激光清洗，激光波長的選擇和激光能量的控制是影響清洗 效果的關鍵。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 過程中產生強分裂應力，當這個分裂應力大于污物與基體材料表面的親合力時， 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。根據材料 吸收熱量與光波長的關系，不同基體材料和污染物，需采用不同波長的激光和激 光工藝參數。如圖1是激光清洗裝置示意圖。激光從激光發生器里發出，經過光學系統傳 輸，再經透鏡聚焦到基體表面。由計算機控制激光能量、脈沖頻率、作用時間以 及工件的移動。監視測試系統可以遠距離對清洗效果進行實時監測。圖1激光清 洗裝置是針對較小的清洗部件，移動工作臺實現部件上不同區域的清洗。對于大 的笨重物件或定型的不能移動的大結構物件的激光清洗（如除銹等

9、）。可通過激光 束逐點平移和小角度往復偏轉，在較遠距離的待清洗物件上形成激光掃描，實現 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 當的柱形透鏡，在適當距離將圓柱形激光束擴展為條帶狀，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。瞰機控制系坑監WWI試系完瞰機控制系坑監WWI試系完圖I激光清洗裝里示意圖圖2柱形姓統提高激光工致圖激光清洗采用的激光有波長248nm的KrF準分子激光、波長308nm的XeCl 準分子激光、波長193nm的ArF準分子激光、Nd: YAG固體激光、CO2激光以及 半導體激光等。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，準 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。對于 微電子工業來說，一般選用準分子激光器，如KrF準分子；對于模具的清洗則采 用CO2或YAG激光器比較好；而對于激光敷層的清除，CO2激光器的效果最好，特 別是TEA CO2激光器在這一領域極具發展前途；由于CO2激光器不能用光纖傳送， 遠程清洗應用受到很大限制，這為YAG激光器的應用提供了廣闊的空間。激光清洗的基本機制包括一系列復雜的物理及化學效應，到目前為止還沒有 一個統一全面的定量理論模型。激光清洗過程中的基本動力學過程是物質吸收入 射光能之后產生瞬態超熱溫度驟然升高，沒有輔助液膜時雖然這個溫升尚不足以 使

11、基體表面蒸發（否則就會造成表面損傷），但由此而帶來的基體表面熱膨脹產生 了一個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為是在脈沖激 光持續時間內完成的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 液膜發生爆炸去污；（3）激光+惰性氣體的方法，即激光輻射的同時，用惰性氣 體吹向工件表面，當污物從表面剝離后，就被氣體遠遠吹離表面，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方法去污。目 前在工業生產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品的清洗保護中。.激光清洗技術與傳統清洗方法相比，激光清洗技術具有許多優點：（1）激 光清洗是一種“干式”清洗，不需清潔液和其它化學溶液，因此沒有化學清洗產 生的環境污染，是一種“綠色”清洗工藝。（2 ）激光清洗是一種非接觸處理，可 通過光纖傳輸與機器人或機械手聯合，實現自動化操作，能清洗傳統方法不易達 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，不損傷材料的內部組成和結構。激光清洗的典型應用之一是文物的保護與清洗：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，恢復其本來面目。科 學家采用激光清洗法國巴黎盧浮宮中的油畫，將原來已經因為種種原因保護不善 而看不清畫面的油畫恢復了原貌。該原理同樣適用于清洗很大的房屋。近年來， 德國人采用激光清洗技術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。激光清洗技術在工業中同樣大有用武之地：飛機的表面過一定時間后要 重新噴漆，但是，噴漆之前需要將原來的舊油漆完全除去。傳統的機械清除油漆 法容易對飛機的金屬表面造成損傷，給安全飛行帶來隱患。如采用多個激光系統， 可以在兩天之內將一架波音737飛機表面的漆層完全除掉，而不會損傷到金屬 表面。科學家還將激光清洗技術應用于核電站反應堆內管道的清洗：它采用光導

14、 纖維，將高功率激光束引入反應堆內部，清洗下來的物質呈粉末狀態，體積小， 易處理。而且，激光清洗可以遠距離操作，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，在環境濕度增加使得絕 緣子表面濕潤時，其絕緣電阻迅速下降，形成沿絕緣子表面的污穢閃絡放電，往 往造成電網大面積停電。統計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，勞動強度也很大。據統計，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點它極有希望在此領域得到廣泛應用。醫療器械 的清洗：在醫院中，醫療器械的清洗消毒是一項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。由于中間環節多，增 加了疾病傳染的可能性，清洗消毒時間較長，而且產生大量污水污物。而利用脈 沖激光在材料表面產生高壓高溫，不但可以快速地清除醫療器件上的各種污跡， 而且也可以殺死各種細菌與病毒，同時達到了清洗和消毒的雙重目的，大大減少 了中間環節，節約了清洗時間。以上這些只是激光清洗技術應用的少數幾個例子。激光清洗技術近兩年發 展很快，不論是對激光

16、清洗的工藝參數和清洗機理、清洗對象的研究或是應用 方面的研究都取得了很大的進展。但由于激光器及其配套硬件的費用較高，使 激光清洗技術的應用范圍受到極大的限制，特別在低成本對象的清洗中還難以 承受。綜上所述，激光清洗技術具有綠色、環保、成本低、高效、不用接觸基片 表面等明顯優于其它清洗方法的優勢,具有廣泛的應用前景。相信隨著激光器的 發展和激光清洗技術的不斷完善，它將會在各種清洗領域里得到越來越多的應 用。激光清洗技術現在已廣泛應用于工業、建筑、文物保護和醫藥等很多領域。 作為近年才發展起來的新型清洗技術，激光清洗與傳統清洗技術相比具有很多 優越性，在一些特殊領域甚至是唯一有效的清洗技術。但激光清洗技術的應用 潛力還遠未得到開發，