激光清洗

例如，工件表面粘有亞微米級的污染顆粒時，這些顆粒往往粘得很緊，常規的清洗辦法不能夠將它去除，而用納米激光輻射工件表面進行清洗則非常有效。還由於激光對工件是無接觸清洗，對精密工件或其精細部位清洗十分安全，可以確保其精度。所以激光清洗在清洗行業中獨具優勢。

激光為什麼能夠用來清洗？為什麼對被清洗物體不會造成損害呢？首先了解一下激光的本質。簡單來説，激光和在我們身邊的如影隨形般的光線（可見光和不可見光）沒有什麼不同，只不過激光是利用諧振腔把光聚集在同一個方向上，並且有較單純的波長，協調性等性能更好，因此理論上所有波長的光都可以用來形成激光，但實際上受限於能夠激發的介質不多，因此能夠產生穩定且適合工業生產的激光光源相當有限。被廣泛使用的大概也就是Nd:YAG激光、二氧化碳激光和準分子激光。由於Nd：YAG激光可以通過光纖傳輸更適合工業應用，因此在激光清洗中也多被採用。

學術上説：激光燒蝕（激光清洗學名）或光燒蝕是通過用激光束照射從固體（或有時為液體）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並蒸發或昇華。 在高激光通量下，材料通常會轉換為等離子體。 通常，激光燒蝕是指用脈衝激光去除材料，但是如果激光強度足夠高，則可以用連續波激光束燒蝕材料。 深紫外光的準分子激光器主要用於光燒蝕。 用於光燒蝕的激光波長約為200 nm。吸收激光能量的深度以及單個激光脈衝去除的材料量取決於材料的光學特性以及激光波長和脈衝長度。 每個激光脈衝從靶標燒蝕的總質量通常稱為燒蝕率。 激光束掃描速度和掃描線覆蓋率等激光輻射特徵會顯着影響燒蝕過程。 ^[1] 

與機械摩擦清洗、化學腐蝕清洗、液體固體強力衝擊清洗、高頻超聲清洗等傳統清洗方法相比，激光清洗具有明顯的優點。

2．1　激光清洗是一種”綠色”的清洗方法，不需使用任何化學藥劑和清洗液，清洗下來的廢料基本上都是固體粉末，體積小，易於存放，可回收，可以輕易解決化學清洗帶來的環境污染問題；

2．2　傳統的清洗方法往往是接觸式清洗，對清洗物體表面有機械作用力，損傷物體的表面或者清洗的介質附着於被清洗物體的表面，無法去除，產生二次污染，激光清洗的無研磨和非接觸性使這些問題迎刃而解；

2．3　激光可以通過光纖傳輸，與機器手和機器人相配合，方便地實現遠距離操作，能清洗傳統方法不易達到的部位，這在一些危險的場所使用可以確保人員的安全；

2．4　激光清洗能夠清除各種材料表面的各種類型的污染物，達到常規清洗無法達到的清潔度。而且還可以在不損傷材料表面的情況下有選擇性地清洗材料表面的污染物；

2．5　激光清洗效率高，節省時間；

2．6　購買激光清洗系統雖然前期一次性投入較高，但清洗系統可以長期穩定使用，運行成本低，每小時僅需電費。

脈衝式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴於激光器所產生的光脈衝的特性，基於由高強度的光束、短脈衝激光及污染層之間的相互作用所導致的光物理反應。其物理原理可概括如下：

(a)激光器發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（高度電離的不穩定氣體），產生衝擊波。

(c)衝擊波使污染物變成碎片並被剔除。

(d)光脈衝寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。

(e)實驗表明當金屬表面上有氧化物時，等離子體產生於金屬表面。

等離子體只在能量密度高於閾值的情況下產生，這個閾值取決於被去除的污染層或氧化層。這個閾值效應對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。等離子體的出現還存在第二個閾值。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行有效的清潔，必須根據情況調整激光參數，使光脈衝的能量密度嚴格處於兩個閾值之間。

每個激光脈衝去除一定厚度的污染層。如果污染層比較厚，則需要多個脈衝進行清洗。將表面清洗乾淨所需要的脈衝數量取決於表面污染程度。由兩個閾值產生的一個重要結果是清洗的自控性。能量密度高於第一閾值的光脈衝將一直剔除污染物，直到達到基底材料為止。然而，因為其能量密度低於基底材料的破壞閾值，所以基底不會受到破壞。

激光清洗不但可以用來清洗有機的污染物，也可以用來清洗無機物，包括金屬的鏽蝕、金屬微粒、灰塵等。下面介紹一些實際應用情況，這些技術已非常成熟，已被廣泛應用。

4．1　模具的清洗：

每年全世界的輪胎生產企業製造數億個輪胎，生產過程中輪胎模具的清洗必須迅速可靠，以節省停機的時間。傳統的清洗方法包括噴沙、超聲波或二氧化碳清洗等，但這些方法通常必須在高熱的模具經數小時冷卻後，再移往清洗設備進行清潔，清潔所需的時間長，並容易損害模具的精度，化學溶劑及噪聲還會產生安全和環保等問題。利用激光清洗方式，由於激光可利用光纖來傳輸，因此在使用上深具彈性；由於激光清洗方式可用光纖連接而將光導至模具的死角或不易清除的部位進行清洗，因此使用方便；由於橡膠並無氣化，因此不會產生有毒害的氣體，影響工作環境的安全。激光清洗輪胎模具的技術已經大量在歐美的輪胎工業中被採用，雖然初期投資成本較高，但可在節省待機時間、避免模具損壞、工作安全及節省原材料上所獲得的收益迅速得到回收。根據激光清洗設備在輪胎公司生產線上進行的清洗試驗表明，僅需2個小時就可以在線清洗一套大型載重輪胎的模具。和常規清洗方法相比，經濟效益是顯而易見的。

食品工業模具上防粘的彈性膜層需要定期更換以保證衞生，不用化學試劑而使用激光清洗也特別適合這種應用。

4.2武器裝備的清洗：

激光清洗技術在武器維護保養上廣泛應用。採用激光清洗系統，可以高效、快捷地清除鏽蝕、污染物，並可以對清除部位進行選擇，實現清洗的自動化。採用激光清洗，不但清潔度高於化學清洗工藝，而且對於物體表面幾乎無損害。通過設定不同參數，還可以在金屬物體表面形成一層緻密的氧化物保護膜或金屬熔融層，提高表面強度和耐腐蝕性。激光清除的廢料對環境基本上不構成污染，還可以進行遠距離操作，有效減少了對操作人員的健康損害。

4.3飛機舊漆的清除：

在歐洲激光清洗系統早已應用在航空工業中。飛機的表面過一定時間後要重新噴漆，但是噴漆之前需要將原來的舊漆完全除去。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。如採用多個激光清洗系統，可在兩天之內將一架A320空中客車表面的漆層完全除掉，且不會損傷到金屬表面。

4.4樓宇外牆的清洗：

隨着我國經濟的飛速發展，越來越多的摩天大樓被建立起來，大樓外牆的清潔問題日益凸現，LASERLASTE激光清洗系統通過最長70米的光纖對建築物外牆的清洗提供了很好的解決方法，它可以對各種石材、金屬、玻璃上的各種污染物進行有效清洗，且比常規清洗效率高很多倍。還可以對建築物的各種石材上的黑斑、色斑進行清除。LASERLASTE激光清洗系統在嵩山少林寺對建築物、石碑進行的清洗試驗表明，採用激光清洗對保護古建築恢復外觀效果非常好。

4.5電子工業中的清洗

電子工業使用激光去除氧化物：電子工業需要高精度地去污，特別適合採用激光去氧化物。在電路板焊接前，元件針腳必須徹底去氧化物以保證最佳的電接觸，在去污過程中還不能損壞針腳。激光清洗可以滿足使用要求，且效率很高，一個針腳只需照射一次激光。

4.6精密機械工業中的精確去酯清洗：

精密機械工業常常需對零件上用來潤滑和抗腐蝕的酯類及礦物油加以清除，通常是用化學方法，而化學清洗往往仍有殘留物。激光去酯可以將酯類及礦物油完全去除，不損傷零件表面。其污染物去除是由衝擊波完成，零件表面氧化物薄層爆炸性氣化形成了衝擊波，導致污物去除，而非機械互作用。材料徹底去酯用於航天工業機械零件的清理。機械零件加工中的油酯去除同樣可採用激光清洗。

4.7核電站反應堆內管道清洗：

激光清洗系統還應用於核電站反應堆內管道的清洗。它採用光導纖維，將高功率激光束引入反應堆內部，直接清除放射性粉塵，清洗下來的物質清理方便。而且由於是遠距離操作，可以確保工作人員的安全。

綜上所述，激光清洗在很多領域發揮着重要作用，並且在汽車製造、半導體晶圓片清洗、精密零件加工製造、軍事裝備清洗、建築物外牆清洗、文物保護、電路板清洗、精密零件加工製造、液晶顯示器清洗、口香糖殘跡去除等領域均可發揮重要作用。

激光清洗方法主要有4種：

①激光乾洗法，即採用脈衝激光直接輻射去污；

②激光+液膜方法，即首先沉積一層液膜於基體表面，然後用激光輻射去污；

③激光+惰性氣體的方法，即在激光輻射的同時，用惰性氣體吹向基體表面，當污物從表面剝離後會立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化；

④運用激光使污垢鬆散後，再用非腐蝕性化學方法清洗。

最常用的是前 3種方法。第4種方法僅見於石質文物的清洗中。

國際上，激光清洗技術對石質材料的應用已有十幾年的歷史。在我國，石質材料的激光清洗起步較晚。由於激光設備的投資還較為昂貴，普遍化應用還有一定難度。但是激光清洗技術具有傳統清洗方法無法比擬的優點，隨着技術的不斷完善和設備的批量化生產，激光清洗技術必將在石質材料的清洗業中發揮重要的作用。

參考文獻：

1.“A theoretical model for laser removed of particles from solid surfaces”,Y.FLu W.D.Song, B.W.Ang,M.H.Hong,D.S.H.Chan,T.S.Low,Appl.Phys.A65,p9-13(1997)

2.“laser cleaning” removes partilces from surfaces, W.Zapka, W.Ziemlich, W.P. Leung and A.C. Tam, Microelectronic Engineering 20(1993)171-183 ...