激光清洗原理及应用

２ 激光清洗方法分类
激光清洗的方法可分为以下四类。 ２ ． １ 激光干式清洗法
采用激光直接辐射去污。图 １ 表示激 光干式清洗法的动力学过程，激光被基体 或污物粒子吸收后，产生振动，从而使基体 和污染物分离。
（ａ ）激光被基体吸收 （ｂ ）激光被粒子吸收 图 １ 干式清洗的动力学过程示意图
图 ２ 激光湿法清洗示意图
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其中激光干式清洗法和激光湿式清洗法用 的最多，它们两者相比而言，后者有更好的 清洗效果，能在更低的能量密度下清除更 小的污染物颗粒，且不易损伤基体材料。
３ 激光清洗典型应用实例
３ ． １ 激光清洗轮胎模具 汽车轮胎模具底部及周边的花纹每隔
两至三周需要清洗一次，整个模具几个月 要彻底清洗一次。传统的方法是用喷砂法 清洗，不但费用昂贵、噪音大，还影响模具 质量，从而模具的使用寿命，增加成本。另 外，该方法不能实现模具的在线清洗，清洗 前拆卸和清洗后安装耗时很长［１０］。激光清 洗能克服传统方法的缺点，满足轮胎模具 行业的需求，实现在线清洗，且成本低、无 污染、属绿色清洗。王泽敏［１１］等人利用 Ｎｄ： ＹＡＧ 激光器（波长为 １０６４ｎｍ、脉宽为 ２００ｎｓ、光斑直径 ０．０９ｍｍ）清洗了轮胎模具 表面橡胶层，在扫描速度为 ３００ｍｍ／ｓ，能量 密度为 ２５．１Ｊ／ｃｍ２ 的情况下实现了对面积 为 ３０ｍｍ × ２０ｍｍ 的模具表面橡胶层的完 全清洗，清洗时间为 ４０ｓ。图 ３ 和图 ４ 为清洗 效果图。 ３ ． ２ 激光清洗光学元件
湿式清洗是在待清洗的基wk.baidu.com表面吸附 上一层液体介质膜，然后用激光辐射去污。
根据介质膜和基体对激光的吸收情 况，可将湿式清洗分为强基体吸收、强介 质膜吸收和介质膜基体共同吸收［９］。强基 体吸收时，基体吸收激光能量后，将热量传 递给液体介质膜，基体与液体界面处的液 体层过热发生爆发沸腾（见图 ２ａ），污染物去 除效果最好；液体介质膜基体共同吸收时， 部分激光被液体介质吸收，部分激光穿透 液体介质层被基体吸收，基体吸收激光后 将热量传递给液体，基体和液体界面处的 液体层过热发生爆发沸腾（见图 ２ｂ），但因 能量不够集中，去除效果不如强基体吸收 好。强介质膜吸收时，液体介质上表面强 烈吸收激光，只在液体上表面而不是基体 与液体的界面处发生爆发沸腾（见图 ２ｃ），污 染物去除效果不好。 ２ ． ３ 激光惰性气体法
（１）物体表面污染物吸收激光能量，受 热膨胀，从而克服表面吸附力，脱离物体表 面。
（２）高能量的激光束在焦点处产生几万 度的高温，使污染物瞬间汽化、蒸发或分
解。 （３）高频率的脉冲激光冲击物体表面，
在固体表面产生力学共振现象，使表面污 染物破碎脱落。
根据被清洗的基体物质与污染物的光 学特征分析，可将激光清洗机理分为两大 类：一类是利用污染物与基体对某一波长 激光能量的吸收率的差别，使激光能量充 分被污染物吸收，从而污染物受热膨胀或 汽化挥发，并被汽化形成的蒸气流带动离 开基体物质而达到清洗的目的。其要求是 基体材料对激光能量的吸收率要低，这样 才不会损伤到基体材料。另一类是对于基 体物质与污染物对激光吸收率差别不大， 或是污染物受热会产生有毒物质等情况的 清洗。通常是利用高频率、高功率的脉冲 激光冲击物体表面，使部分激光束转换成 声波，声波在冲击中下层硬表面以后返回， 其返回部分与激光入射声波发生干涉，从 而产生高能共振波，使污染物发生微小爆 裂，脱离基体表面［８］。
激光清洗是一种新型的表面处理技 术。该技术柔性高、可控性好、易于选区 定位精密清洗，易于远距离遥控清洗难以 到达或危险的地方。经过十多年的迅速发 展，现已由实验室研究走向实用开发。其 应用对象涉及到机械工业、微电子工业与 艺术品的保护等方面。国外现已有成套的 激光清洗商品系统出售。
１ 激光清洗原理
随着对光学器件性能要求的提高，表 面吸附的污染微粒对器件成品率和性能的 影响就显得更为突出。例如对激光陀螺超 光滑反射镜片，国外产品的反射率高达 ９９． ９９％。国内的制造水平已经能够达到 ２？的 表面粗糙度，但反射率仅为 ９９．９％，对采用 超声波清洗和离子轰击后的表面进行分析 和观察，发现其表面仍残留有极微小的污 染微粒。激光清洗有望解决这一难题。徐 传义［９］对激光清洗超光滑光学基片作了深 入的理论和试验研究，研究表明了该方法
激光清洗的实质是激光与物质相互作 用 的 过 程 。 很 多 文 献 ［１～７］对 此 进 行 了 深 入 的研究，研究表明，污染物和物体表面的结 合力主要有：共价键、双偶极子、毛细作 用、氢键、范德华力和静电力，其中范德华 力、毛细作用和静电力最难破坏。激光清 洗就是利用激光高能量、高亮度、方向性 好等特点，破坏污染物与物体表面之间的 作用力，从而去除污染物而不损伤基体的 过程。而针对不同的污染物、不同的基体 材料，在激光清洗过程中，到底发生着怎样 的物理化学效应呢？目前较为人们接受的 观点主要有三种。
［１０］ 宋峰， 邹万芳，刘淑静，等． 激光清洗的其 他应用［Ｊ］．清洗世界，２００６，２２（３）：３８～ ４１．
［１１］ 王 泽 敏 ， 曾 晓 雁 ， 黄 维 玲 ． 激 光 清 洗 轮 胎 模具表面橡胶层的机理与工艺研究［Ｊ］． 中国激光，２０００，２７（１１）：１０５０～１０５４．
［７］ 王泽敏，曾晓雁，黄维玲．激光清洗工艺 的发展现状与展望［Ｊ］．激光技术，２０００， ２４（２）：６８～７３．
［８］ 张秉坚，任瑛丽，张西燕，等．激光技术与 石质材料清洗［Ｊ］．清洗技术，２００１，１０： １１～１３．
［ ９ ］ 徐传义． 超光滑光学表面激光清洗的机 理和试验研究［Ｄ］．西北工业大学硕士学 位论文，２００２．
高 新 技 术
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激光清洗原理及应用
郭晓艳
（ 中山火炬职业技术学院 光机电工程系 广东中山 ５ ２ ８ ４ ３ ６ ）
摘 要： 本文简述了激光清洗的原理及方法， 并介绍了激光清洗在轮胎模具、光学元件、古建筑和艺术品等方面的应用研究。 关键词： 激光清洗 清洗原理 激光应用 中图分类号：ＴＮ２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２００９）０３（ｂ）－０００１－０２
在去除微小污染微粒方面的有效性。而且 通过一系列的激光清洗工艺试验，找到了 有效去除光学基片表面吸附的抛光残余微 粒的优化参数。 ３ ． ３ 激光清洗古建筑和艺术品
激光清洗古建筑和艺术品在国际上已 经是比较成熟的技术。在欧洲，人们已经 用激光清洗了各种大教堂（意大利、丹麦 等国家）、烈士墓（波兰）、市政大楼（荷兰）、 西行政宫（伦敦）［１２］。在我国，激光清洗古建 筑还处于试验阶段，有研究者采用激光清 洗系统在嵩山少林寺对建筑物、石碑进行 的 清 洗 试 验 ， 并 取 得 了 很 好 的 效 果 ［１３］。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｓｏｍｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｙｒｅ ｍｏｕｌｄ ， ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， ａｎｃｉｅｎｔ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ａｒｔｗｏｒｋｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ； ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ； ｌａｓｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
激光干式清洗中污物粒子被去除方式 主要有两种：一种是基体表面的瞬时热膨胀 而使表面吸附的粒子被去除；另一种是粒子 本身的热膨胀而使粒子离开基体表面。己 有的理论和试验研究表明，后者清洗机理去 除微粒的效果远没有前者好，去除微粒的大 小 也 在 微 米 级 以 上 。 但 徐 传 义 ［９］采 用 微 粒 自身热膨胀去除的方法清洗超光滑光学基 片，取得了比较好的效果。 ２ ． ２ 激光湿式清洗法
激光清洗艺术品已经实行工业化的应 用主要是绘画作品、雕塑等。图 ５ 是一幅 １９ 世纪的油画激光清洗效果对比图［１４］。图 ５（ａ）是激光清洗前的形貌，从该图可以看 出，石灰沙浆层不均匀地散布在油画中间， 掩盖了绘画的原貌。而且清漆层已经老 化，只有几μ ｍ 厚。如此薄的老化清漆层 使得传统的机械清洗和化学清洗在控制上 很难把握。采用 ＫｒＦ 准分子激光辅助剥除 顶层老化清漆层，可使石灰颗粒和清漆的 光致碎片一起被清除。修复后的形貌见图 ５（ｂ）。
激光辐射的同时，用惰性气体吹向工 件表面，当污染物从表面剥离后，就被气体 远远吹离表面，避免清洁表面再污染和氧 化。 ２ ． ４ 用激光使污染物松散后， 再用非腐蚀性 化学方法去污
该方法仅见于艺术品的清洗保护中［７］。 在工业中主要采用前三种清洗方法，
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［５］ Ｃｏｏｐｅｒ Ｍ Ｉ， Ｅｍｍｏｎｙ Ｄ Ｃ， Ｌａｒｓｏｎ Ｊ Ｈ． Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｏｆ ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ［Ｊ］． Ｏｐｔｉｃａ Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ， １９９５，２７（１）：６９～７３．
［６］ Ｚａｐｋａ Ｗ，Ｚｉｅｍｌｉｃｈ Ｗ，Ｌｅｕｎｇ Ｗ Ｐ， Ｔａｍ Ａ Ｃ．Ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｅｍｏｖｅｓ ｐａｒ－ ｔｉｃｌｅｓ ｆｒｏｍ ｓｕｒｆａｃｅ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９３，２０：１７１～１８３．
［３］ Ｃｏｏｐｅｒ Ｍ Ｉ，Ｌａｒｓｏｎ Ｊ Ｈ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｔｏ ｐｒｅｓｅｒｖｅ ｐａｔｉｎａ ｏｎ ｍａｒｂｌｅ ｓｃｕｌｐｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｃｏｎｓｃｒｖａｌｏｒ， １９９６，２０：２８～３５．
［４］ Ｚａｐｋａ Ｗ，Ｚｉｅｍｌｉｃｈ Ｗ，Ｔａｍ Ａ Ｃ．Ｅｆ－ ｆｉｃｉｅｎｔ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ０．２ μ ｍ ｓｉｚｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅ ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９１，５８：２２１７～ ２２１９．
４ 结语
激光清洗作为一种新型的表面处理技 术，有着广阔的应用前景。可清洗固体、液 体物质，甚至可清除宇宙空间的垃圾。其 中固体物质的清洗应用较为成熟，例如：清 洗轮胎模具、电子线路、光掩膜、古建筑 和艺术品等已实行工业化。但由于激光清 洗机理缺乏系统的理论研究以及激光器成 本较高等原因，国内激光清洗在实际应用 上受到很大限制，大部分清洗还限于实验 室研究，相信随着激光技术的发展，激光成 本的下降，激光清洗技术的工业应用将会 越来越广泛。
Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ
Ｇｕｏ Ｘｉａｏｙａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ Ｔｏｒｃｈ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２８４３６）
图 ３ 印字模具片清洗形貌图
参考文献
［１］ 王豫，陆冬生，安承武．新颖的激光清洗 技术［Ｊ］．物理，１９９６，２５（９）：５４４～５４９．
高 新 技 术
［２］ Ｐｌｅａｓａｎｔｓ Ｓ， Ｋａｎｅ Ｄ Ｍ． Ｌａｓｅｒ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｇｌａｓｓ ａｎｄ ｓｉｌｉｃａ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ：Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｅ［Ｊ］， Ａｐｐｌ Ｐｈｙａ， ２００３， ９３（１１）：８８６２～８８６６．