光应用的新领域一激光清洗

激 光应用的新领域一 激光清洗 激光应用的新领域 激光清洗的原理及应用概况 介绍了两种激光清洗的实例高重复率 激光高速清洗固体表面 和激光清除宇宙空间垃圾 激光清洗及特点 激光清洗是利用激光高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层的技术 就其清 洗机理而言 可分为两大类 一类是利用清洁基片也称为母体与表面附着物对某一波长激 光能量 具有差别很大的吸收系数 辐射到表面的激光能量 大部分被表面附着物所吸收 使之受热或汽化挥发 或瞬间膨胀 并被表面形成的蒸汽流带动脱离物体表面 达到清洗目 的 而基片吸收能量极小 不会被损伤 对此类激光清洗 选择合适的波长和控制好激光能 量 是现安全高效清洗的关键 另一类是适用于清洁基片与表面附着物的激光能量吸收系 数差别不大 或基片对涂层受热形成的酸性蒸汽较敏感 或涂层受热后会产生有毒物质等情 况的清洗方法 通常利用高功率高重复率的脉冲激光冲击被清洗的表面 使部分光束转换 成声波 声波击中下层硬表面后 返回的部分与激光产生的入射声波发生干涉 产生高能波 使涂层发生微小爆炸 涂层被粉碎 压成粉末 再被真空泵清除 而底下的基片不会损伤 激光清洗与机械磨擦清洗 化学腐蚀清洗 液体固体强力冲击清洗等传统清洗方法相 比 有明显的优点 它高效 快捷 成本低对基片的热负荷和机械负荷小 清洗为非损伤性 废物可回收 无环境污染安全可靠 不损害操作人员健康多功能 可以清除各种不同厚度 不同成份的涂层清洁过程易于实现自动化控制 实现远距离遥控清洗 激光清洗的发展与现状 1975 年日刊报道了前苏联的几位科学家将激光技术用于清除水面漂浮的石油 不仅可 以提高清除效率 做到无二次污染 而且能够回收石油 年前苏联的两位科学家又报道了用 20W 连续二氧化碳激光器清洁柏油路面的燃料斑和油斑 高效而快捷 随着气体激光器技术不断完善 价格降低半导体激光器功率不断提高 发光波长扩展 固 体激光器日益成熟 使得激光光源更趋于多样化 小型化 易于操纵控制 激光清洗技术的 研究和应用也随之获得迅速发展 其中应用最广 效果最佳的是固体表面的清洗 例如 用短脉冲激光器清除物体表面尺寸在 0 1 微米的微小颗粒 用高重复率的激光清 洗固体表面 结构材料表面的激光清洗 激光清洗大理石石雕 激光清除磁头滑动装置中 的颗粒等等 这些应用研究对激光清洗的机理进行了深入的探讨和实验研究 有些成果已 转化成商品 如计算机控制的自动 高效激光除漆机 在飞机 轮船 潜艇 雷达和桥梁等 设施的保养 维修中 起着不可替代的作用 用脉冲激光器清洁工艺品和宝石获得英国资 源保护改革奖闭 一种深紫外激光清洗表面沾污系统 在电子学 微电子和工业用金属 业中更为引入注目 它可去除 80 微米至 0 1 微米以内尺寸的微粒 金属离子 有机膜和氧 化物 清洁速度快 成本低 非损伤 不产生废水 环境污染小 成为微电子工业的新清 洗工艺 一种结构紧凑 小巧灵活的激光清洁系统已被开发成功 它由小型固体激光器组 成 其光束通过光波导传输到工作头 带有扫描器 清除宽度可调节 具有自动切断激光器 的安全系统 一旦激光切断 封闭的工作头立即从加工表面抬起 清除的垃圾颗粒可通过带 过滤器的吸尘器收集 总之 激光清洗技术经过近十几年的研究发展 已由实验室研究走向应用开发 各种激 光清洗机相继间世 成为激光应用的又一新领域 激光清洗应用实例 1 用高重复频率激光高速清洗固体表面 用高效率 光速质量好 简单实用的激光器作为光源 最大重复频率 1000Hz 单脉冲最大输出能量 500mJ 平均输出功率 500W 波长为拼 10 6 微米 对此波长 大多数固体如金属吸收系数较低 而表面涂层中的酸性物质 有机物 水分等吸收系数很 高 有利于清洗固体表面而不损伤基片 激光清洗系统示意图如图 由激光器 光路传输系 统 样品控制台和真空泵组成 激光束被光路传输系统会聚成的细线 入射到清洗样品表面上 样品控制台可以多方向移动 调节激光入射点 控制清洗线路 激 光清洗深度与单位脉冲能量 激光焦点位置 样品控制台移动速度和脉冲重复频率有关 当单位脉冲能量 激光焦点位置和样品控制台移动速度确定时 激光清洗深度和脉冲重复 频率成正比 根据样品表面涂层材料 厚度等情况 可在 1Hz 到 1000Hz 范围内调节激光重 复频率 控制激光清洗深度 用此激光清洗装置 可以有效地除去不同材料 不同厚度的油 漆 泥污物和铁锈 当激光单位脉冲能量密度为 4 5 焦每平方厘米 激光焦点会聚于清洗样 品表面 样品控制台移动速度为 10 毫米每秒时时 40Hz 的激光重复频率便可清洗掉 56 微 米的油漆 而不损伤底层金属表面 实验表明 在样品表面刷一层水 可以增加涂层吸收系 数 清洗效果更好 激光入射点附近放置的是高效真空回收泵 用来收集被除掉的污物 其 吸尘风速高达 1 5 立方米每分钟 此激光清洗装置既可手动控制 又可与自动检则装置配合使用 实现实时探测表面涂层 厚度 调整激光脉冲频率 自动完成激光清洗 2用激光清除宇宙垃圾 随着航天技术的不断发展 人们越来越多地频繁活动于宇宙空间 使太空成为堆满废物的宇 宙垃圾场 在人类活动最频繁的两千公里高度下 据估计太空垃圾质量达到三千吨左右 大 大小小的碎片高达 400 万个 这些太空垃圾以每秒数十公里的速度运转 成为太空危险的 漂游炸弹 对大型航天飞行器及空间站形成危害 有的甚至还会成为撞击地球的原子 弹 面日益增多的太空垃圾 科学家想出了一个办法把激光发射到太空中去 逐个清除宇宙 垃圾 这项计划先用雷达测定一块合适的残片 随即地面上的激光器对其瞄准 将此残片底 部烧掉一部分 燃烧所蒸发出的物体流就成为一股推力 把此残片从其围绕地球的圆形轨道 推进到一个呈椭圆形的轨道上 最终将此残片带入大气层 让它在大气层里安全地燃烧掉 目前美国已拥有一个能把 800 公里高空之内的残片都消除掉的设备 下一步是准备把距离 地面 1500 公里高空内的空间清除作为目标 地球周围的太空垃圾 结语 作为激光应用的新领域一激光清洗技术 有着诱人的应用前景 它可以用于液体 固体和宇 宙空间 适用范围广 尤其用激光去除固