激光清洗技术的原理,类型及应用领域（激光清洗图片）

激光清洗技术是激光技术在工程领域的成功应用。其基本原理是利用激光的高能量密度与工件基体上附着的污染物相互作用，引起瞬时热膨胀、熔化、气体挥发等，从而使工件基体脱离。激光清洗技术具有高效、环保、节能的特点，已成功应用于轮胎模具清洗、飞机机身除漆、文物修复等领域。

传统的清洗技术有机械摩擦清洗（喷砂清洗、高压水枪清洗等）、化学腐蚀清洗、超声波清洗、干冰清洗等，这些清洗技术已广泛应用于各个行业，例如喷砂清洗通过选择不同硬度的磨料。可清洗金属绣花斑、金属表面毛刺、电路板表面保形漆等。化学腐蚀清洗技术广泛应用于设备表面油垢清洗、锅炉水垢清洗、石油管道清洗等领域。虽然这些清洗技术已经成熟，但仍然存在一些问题。例如，喷砂清洗容易对被处理表面造成损伤，化学腐蚀清洗会造成环境污染，处理不当会导致被清洗表面腐蚀。

激光清洗技术的出现是清洗技术的一场革命。激光清洗技术利用了激光能量密度高、精度高、传输高效等优点。与传统清洗技术相比，在清洗效率、清洗精度、清洗位置等方面具有明显优势，可有效避免化学腐蚀清洗等清洗技术带来的问题。对环境无污染且不会对基材造成损坏。

激光清洗原理

那么什么是激光清洗呢？激光清洁是通过暴露在激光束下从固体（有时是液体）表面去除材料的过程。在低激光能量密度下，材料被吸收的激光能量加热并蒸发或升华。在高激光能量密度下，材料通常会转化为等离子体。通常，激光清洁涉及使用脉冲激光去除材料，但如果激光强度足够高，则可以使用连续波激光束来烧蚀材料。深紫外准分子激光器主要用于光烧蚀。用于光消融的激光波长约为200nm。激光能量被吸收的深度和单个激光脉冲去除的材料量取决于材料的光学特性以及激光波长和脉冲长度。每个激光脉冲从目标烧蚀的总质量通常称为烧蚀率。激光辐射特性，例如激光束扫描速度和扫描线覆盖范围，可以显着影响烧蚀过程。

激光清洗技术的类型

1）激光干式清洗：干式激光清洗是指脉冲激光直接照射清洗工件，使基体或表面污染物吸收能量而温度升高，引起热膨胀或基体热振动，从而使两者分离。这种方法大致分为两种情况：一是表面污染物吸收激光而膨胀；二是表面污染物吸收激光而膨胀。二是基片吸收激光产生热振动。

1969 年，S.M. Bedair等人发现，包括热处理、化学腐蚀、喷砂和清洗在内的表面处理方法都存在不同的缺点。同时利用激光聚焦后的高能量密度可以蒸发材料表面，有一种方法可以在不损坏材料表面的情况下清洁材料表面。可能是通过实验发现，使用功率密度为30 MW/cm2的红宝石调Q激光器可以在不损坏基板的情况下清洗硅材料表面污染物。首次实现了利用激光清洗材料表面污染物，即激光干洗。

总体率可用薄膜碎片脱离率来表示，如下：

式中，——激光脉冲能量指数，h——污染物膜层

厚度指数，E——膜层的弹性模量指数。

2）激光湿式清洗：在用脉冲激光照射待清洗工件之前，在表面预涂一层液膜。在激光的作用下，液膜温度迅速升高并汽化。汽化瞬间产生冲击波，作用于污染物颗粒。导致其从底座上掉落。该方法要求基体和液膜不能发生反应，从而限制了应用材料的范围。

1991 年，K.Imen 等人。针对半导体晶圆和金属材料采用传统清洗方法后，表面残留亚微米颗粒污染物的问题。他们研究了在材料基底表面涂覆一层薄膜，可以有效吸收激光。随后，使用CO2激光进行照射。吸收激光能量后，薄膜温度迅速升高并沸腾，产生爆炸性汽化，带走基材表面的污染物。这种清洗方法就是激光湿法清洗。

3）激光等离子体冲击波清洗：激光等离子体冲击波在激光照射过程中分解空气介质，产生球形等离子体冲击波。冲击波作用于被洗基材表面，释放能量去除污染物；激光不作用于基材。因此，不会对基板造成损坏。激光等离子冲击波清洗技术现在可以清洗几十纳米大小的颗粒污染物，而且激光波长没有限制。

等离子清洗的物理原理可概括如下：

a) 激光发射的光束被待处理表面的污染层吸收。

b) 吸收大能量形成快速膨胀的等离子体（高度电离的不稳定气体），产生冲击波。

c) 冲击波使污染物破碎成碎片并被去除。

d) 光脉冲宽度必须足够短，以避免热量积聚，从而损坏正在处理的表面。

e) 实验表明，当金属表面存在氧化物时，金属表面会产生等离子体。

仅当能量密度高于阈值时才会产生等离子体，这取决于要去除的污染物或氧化层。这种阈值效应对于有效清洁同时保持基材安全非常重要。等离子体的出现还有第二个门槛。如果能量密度超过这个阈值，基材就会被破坏。为了在保证基材安全的同时进行有效的清洗，必须根据情况调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格在两个阈值之间。

2001 年，J.M. Lee 等人。利用高功率激光聚焦时产生等离子体冲击波的特点，采用能量密度为2.0 J/cm2（远大于硅片损伤阈值）的脉冲激光平行于硅片照射，成功清理了它。 1m的钨颗粒吸附在硅片表面。这种清洗方法就是激光等离子冲击波清洗。严格来说，激光等离子体冲击波清洗是干式激光清洗的一种。

上述三种激光清洗技术的最初目的都是为了清洗半导体晶圆表面的微小颗粒。可以说，激光清洗技术是随着半导体技术的发展而出现的。然而，激光清洗技术在其他领域也不断得到应用，如轮胎模具清洗、飞机蒙皮除漆、文物表面修复等。

当激光照射时，可以将惰性气体吹向基材的表面。当污垢从表面剥离时，立即将其从表面吹走，避免表面再次污染和氧化。

激光清洗技术的应用

1）半导体领域

半导体晶圆和光学基板的清洗半导体晶圆和光学基板的加工具有相同的工艺过程，即通过切割、研磨等方式将原材料加工成所需的形状。该过程引入了难以去除和去除的颗粒污染物。造成重复污染问题。半导体晶圆表面的污染物会影响电路板印刷质量，从而缩短半导体芯片的使用寿命。光学基材表面的污染物会影响光学器件和镀膜的质量，可能造成能量不均匀，缩短使用寿命。由于激光干洗容易造成基板表面损伤，因此这种清洗方法很少用于半导体晶圆和光学基板的清洗。激光湿法清洗和激光等离子体冲击波清洗在该领域有许多成功的应用。徐传义等.研究了在超光滑光学基材表面沉积微米级特殊搪瓷作为介电薄膜，然后使用脉冲激光对其进行清洗。清洁效果很好。虽然单位面积的杂质颗粒有所增加，但杂质颗粒的尺寸和覆盖面积明显增大。该方法可有效清洁超光滑光学基材表面微米级污染物颗粒。张平研究了激光等离子清洗技术中工作距离和激光能量对不同粒径污染物颗粒清洗效果的影响。测试结果表明，对于导电玻璃基板上的聚苯乙烯颗粒，能量为240 mJ的激光效果最佳。距离为1.90 毫米。随着激光能量的增加，清洗效果显着增强，大颗粒污染物更容易清洗。

2）金属材料领域

金属材料表面的清洗与半导体晶圆、光学基板的清洗相比，金属材料表面污染物的清洗属于宏观范畴。金属材料表面的污染物主要有氧化层（锈层）、油漆层、涂层、其他附着物等，根据污染物的类型可分为有机污染物（如油漆层、涂层）和无机污染物（如锈层）。金属材料表面污染物的清洗主要是为了满足后续加工或使用要求。例如，钛合金零件表面约10m厚的氧化层在焊接前需要去除。飞机大修时，需要将蒙皮表面原有的油漆涂层去除，以便于重新安装。橡胶轮胎模具喷涂后需要定期清理附着的橡胶颗粒，以保证表面的清洁度，从而保证生产出的轮胎质量和模具的使用寿命。金属材料的损伤阈值高于激光清洗表面污染物的阈值。通过选择合适的功率激光器，可以达到更好的清洗效果，在一些领域已经得到成熟的应用。王利华等人研究了激光清洗技术在处理铝合金、钛合金表面氧化皮中的应用。结果表明，使用能量密度为5.1 J/cm2的激光可以在保持基体的同时清洁A5083-111H铝合金表面氧化层。质量好的情况下，采用平均功率100W的脉冲激光进行扫描方式，可以有效清理钛合金表面的氧化层，提高材料的表面硬度。国内锐科激光、大族激光、深圳创新等公司研发的激光清洗设备已广泛应用于轮胎、金属锈层、零件表面油污等橡胶模具的清洗。

3）文物领域

文物、纸张表面的清洁金属文物、石质文物由于历史悠久，其表面会存在灰尘、墨渍等污染物。修复文物需要清理这些污染物。字画等纸张存放不当，表面就会滋生霉菌，形成菌斑。这些斑块严重影响了纸张的原貌，尤其是具有较高文化或历史价值的纸张，会影响其欣赏和保护。赵英等.研究了紫外激光清洗宣纸上霉斑的可行性。测试结果表明，使用能量密度为3.2 J/mm2的激光扫描薄斑块一次可去除薄斑块，扫描两次即可去除斑块。清洁，但如果使用的激光能量太高，在去除牙菌斑的同时会损坏宣纸。张晓彤等人利用激光垂直照射液膜法成功修复了一件鎏金青铜文物。张章成等人利用激光清洗技术修复了汉代彩绘女陶俑。袁晓东等人研究了激光清洗技术在石质文物清洗中的效果，比较了清洗前后对砂岩体的损伤以及墨渍清洗、烟尘污染清洗、油漆污染清洗的效果。

结论

激光清洗技术是一项比较先进的技术，在航空航天、电子电气等高精度领域具有广阔的研究和应用前景。目前，激光清洗技术已在一些领域得到成熟应用。由于其高效、环保、清洗效果好，其应用领域正在逐步扩大。

激光清洗技术的发展不仅在除漆、除锈等领域得到了成熟的应用，而且近年来也有利用激光清洗金属丝表面氧化层的报道。现有领域应用的拓展以及新领域的应用是激光清洗技术发展的基础。新型激光清洗设备的研发和新型激光清洗设备的开发将分化和发展各种功能。未来还可以与工业机器人配合实现全自动激光清洗。

激光清洗技术的发展趋势如下：

（一）加强激光清洗理论研究，引导激光清洗技术应用。经过查阅大量文献，我们发现激光清洗技术并没有成熟的理论体系支撑，大多数研究都是基于实验。激光清洗理论体系的建立是激光清洗技术进一步发展和成熟的基础。

(2)现有领域的应用拓展和新领域的应用。激光清洗技术已成熟应用于除漆、除锈等领域。近年来，已有利用激光清洗金属丝表面氧化层的报道。现有领域应用的拓展以及新领域的应用是激光清洗技术发展的沃土。

(3)新型激光清洗设备的研发。新型激光清洗设备的发展将呈现差异化。一类是涵盖多个应用领域并具有一定通用性的设备。例如，一台设备可以同时实现除漆和除锈功能。另一类是针对特定需求的专用设备，例如为了清洁狭小空间内的污染物，可能需要设计特定的工具或光纤来实现该功能。与工业机器人配合的全自动激光清洗也是热门的应用方向。