激光清洗技術(shù)是激光技術(shù)在工程領(lǐng)域的一種成功應(yīng)用，其基本原理是利用激光能量密度高的特點(diǎn)，使激光與工件基底上附著的污染物相互作用，以瞬間受熱膨脹、熔化、氣體揮發(fā)等形式與工件基底分離。激光清洗技術(shù)具有高效、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于輪胎模具清洗、飛機(jī)機(jī)體除漆、文物修復(fù)等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)清洗技術(shù)包括機(jī)械摩擦清洗（噴砂清洗、高壓水槍清洗等）、化學(xué)腐蝕清洗、超聲波清洗、干冰清洗等，這些清洗技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如噴砂清洗通過(guò)選擇不同硬度的磨料可以清洗金屬繡斑、金屬表面毛刺、電路板表面三防漆等，化學(xué)腐蝕清洗技術(shù)廣泛用于設(shè)備表面油垢清洗、鍋爐水垢清洗、輸油管路清洗等領(lǐng)域。雖然這些清洗技術(shù)已發(fā)展成熟，但仍然存在一些問(wèn)題，如噴砂清洗容易對(duì)處理表面造成損傷，化學(xué)腐蝕清洗會(huì)造成環(huán)境污染、處理不當(dāng)時(shí)導(dǎo)致清理表面腐蝕。

激光清洗技術(shù)的出現(xiàn)是對(duì)清洗技術(shù)的一次革命。激光清洗技術(shù)利用了激光的能量密度高、精度高、可高效傳導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)清洗技術(shù)在清洗效率、清洗精度、清理位置等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可有效避免化學(xué)腐蝕清洗等清洗技術(shù)會(huì)造成的環(huán)境污染，且不會(huì)對(duì)基底產(chǎn)生損傷。

激光清洗的原理

那么什么是激光清洗呢？激光清洗是通過(guò)激光束照射從固體（或有時(shí)為液體）表面去除材料的過(guò)程。在低激光通量下，材料被吸收的激光能量加熱并蒸發(fā)或升華。在高激光通量下，材料通常會(huì)轉(zhuǎn)換為等離子體。通常，激光清洗是指用脈沖激光去除材料，但是如果激光強(qiáng)度足夠高，則可以用連續(xù)波激光束燒蝕材料。深紫外光的準(zhǔn)分子激光器主要用于光燒蝕。用于光燒蝕的激光波長(zhǎng)約為200nm。吸收激光能量的深度以及單個(gè)激光脈沖去除的材料量取決于材料的光學(xué)特性以及激光波長(zhǎng)和脈沖長(zhǎng)度。每個(gè)激光脈沖從靶標(biāo)燒蝕的總質(zhì)量通常稱(chēng)為燒蝕率。激光束掃描速度和掃描線(xiàn)覆蓋率等激光輻射特征會(huì)顯著影響燒蝕過(guò)程。

激光清洗技術(shù)的類(lèi)型

1） 激光干式清洗: 干式激光清洗即脈沖激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹或基底熱振動(dòng)，進(jìn)而使二者分離。該方法大致分為2種情況：一種是表面污染物吸收激光膨脹；另一種是基底吸收激光產(chǎn)生熱振動(dòng)。

1969年，S.M.Bedair 等人發(fā)現(xiàn)包括熱處理、化學(xué)腐蝕、噴砂清洗等表面處理方法均存在不同的缺點(diǎn)，同時(shí)，利用激光聚焦后的高能量密度可以使材料表面蒸發(fā)的現(xiàn)象存在無(wú)損清洗材料表面的可能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用功率密度為30 MW/cm2 的紅寶石調(diào)Q 激光可以實(shí)現(xiàn)不損傷基底的情況清洗硅材表面污染物，首次實(shí)現(xiàn)了利用激光清洗材料表面污染物，即激光干式清洗。

整體速率可以通過(guò)膜層碎片脫離率進(jìn)行表達(dá)，如下式：

式中，ε—激光脈沖能量指標(biāo)，h—污染物膜層

厚度指標(biāo)，E—膜層的彈性模量指標(biāo)。

2）激光濕式清洗:在脈沖激光照射待洗工件前，先進(jìn)行表面預(yù)涂液膜，在激光的作用下液膜溫度快速升高而氣化，氣化的瞬間產(chǎn)生沖擊波，作用在污染物顆粒中，使其從基體上脫落。此方法要求基體與液膜不能發(fā)生反應(yīng)，故限制了應(yīng)用材料的范圍。

1991年，K.Imen 等人針對(duì)使用傳統(tǒng)清洗方法處理后半導(dǎo)體晶圓、金屬材料等表面有亞微米顆粒污染物殘留的問(wèn)題，研究了在材料基體表面涂覆一種可高效吸收激光的薄膜，隨后使用CO2 激光器進(jìn)行照射，薄膜吸收激光能量后溫度迅速升高并沸騰，產(chǎn)生爆炸性汽化，將基體表面的污染物帶走。這種清洗方式即為激光濕式清洗。

3）激光等離子體沖擊波清洗：激光等離子體沖擊波是在激光照射過(guò)程中擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波，沖擊波作用在待洗基體表面并且釋放能量將污染物去除；激光未作用于基體，因此對(duì)基體不產(chǎn)生傷害。激光等離子體沖擊波清洗技術(shù)現(xiàn)已可以清洗幾十納米粒徑的顆粒污染物，并且對(duì)激光波長(zhǎng)沒(méi)有限制。

等離子清洗的物理原理可概括如下：

a) 激光器發(fā)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(wěn)定氣體），產(chǎn)生沖擊波。

c) 沖擊波使污染物變成碎片并被剔除。

d) 光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累。

e) 實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)金屬表面上有氧化物時(shí)，等離子體產(chǎn)生于金屬表面。

等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產(chǎn)生，這個(gè)閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個(gè)閾值效應(yīng)對(duì)在保證基底材料安全的情況下進(jìn)行有效清潔非常重要。等離子體的出現(xiàn)還存在第二個(gè)閾值。如果能量密度超過(guò)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(jìn)行有效的清潔，必須根據(jù)情況調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴(yán)格處于兩個(gè)閾值之間。

2001年，J.M.Lee 等人利用高功率激光聚焦時(shí)會(huì)產(chǎn)生等離子體沖擊波的特點(diǎn)，使用能量密度為2.0 J/cm2（遠(yuǎn)大于硅片的損傷閾值）的脈沖激光平行于硅片進(jìn)行照射，成功清洗了吸附在硅片表面的1 μm 鎢顆粒。這種清洗方式即為激光等離子體沖擊波清洗，嚴(yán)格意義上說(shuō)，激光等離子體沖擊波清洗是干式激光清洗的一種。

上述3 種激光清洗技術(shù)最初的的目均為清洗半導(dǎo)體晶圓表面的微小顆粒，可以說(shuō)激光清洗技術(shù)是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的。但是激光清洗技術(shù)不斷應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如輪胎模具清洗、飛機(jī)蒙皮除漆、文物表面修復(fù)等。

在激光輻射的同時(shí)，可用惰性氣體吹向基體表面，當(dāng)污物從表面剝離后會(huì)立即被氣體吹離表面，以避免表面再次污染和氧化。

激光清洗技術(shù)的應(yīng)用

1）半導(dǎo)體領(lǐng)域

半導(dǎo)體晶圓及光學(xué)基片的清洗半導(dǎo)體晶圓和光學(xué)基片在加工過(guò)程中存在相同的工藝，即將原材料以切割、磨削等形式加工為需要的形狀。在這個(gè)過(guò)程中會(huì)引入顆粒狀污染物，這些污染物難以清除且重復(fù)污染問(wèn)題嚴(yán)重。半導(dǎo)體晶圓表面的污染物會(huì)影響電路板印刷的質(zhì)量，進(jìn)而縮短半導(dǎo)體芯片的使用壽命。光學(xué)基片表面的污染物會(huì)影響光學(xué)器件及鍍膜的質(zhì)量，可能會(huì)導(dǎo)致能量不均勻，縮短使用壽命。由于激光干式清洗容易造成基體表面損傷，這種清洗方式在半導(dǎo)體晶圓與光學(xué)基片的清洗中應(yīng)用較少，激光濕式清洗和激光等離子體沖擊波清洗在該領(lǐng)域中有著較多成功的應(yīng)用。徐傳義等研究了在超光滑光學(xué)基片表面沉積微米級(jí)特制磁漆作為介質(zhì)膜，隨后使用脈沖激光器進(jìn)行清洗，清洗效果較好，雖然其單位面積的雜質(zhì)顆粒物增多，但是雜質(zhì)顆粒尺寸和覆蓋面積均明顯下降，該方法可以有效清洗超光滑光學(xué)基片表面的微米級(jí)污染物顆粒。張平研究了激光等離子體清洗技術(shù)中工作距離和激光能量對(duì)不同粒徑污染物顆粒清洗效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于導(dǎo)電玻璃基片上的聚苯乙烯顆粒，能量為240 mJ 激光的最佳工作距離為1.90 mm，隨著激光能量的增加清理效果明顯增加，且大顆粒污染物更容易清理。

2）金屬材料領(lǐng)域

金屬材料表面的清理金屬材料表面的清理相較于半導(dǎo)體晶圓及光學(xué)基片的清洗而言，清理的污染物屬于宏觀范疇。金屬材料表面的污染物主要有氧化層（銹蝕層）、漆層、涂層、其他附著物等，按污染物類(lèi)型可分為有機(jī)污染物（如漆層、涂層）和無(wú)機(jī)污染物（如銹蝕層）。金屬材料表面污染物的清理主要為了滿(mǎn)足后續(xù)加工或使用要求，如鈦合金零件焊接前需清除材料表面約10μm厚的氧化層，飛機(jī)大修時(shí)需清除蒙皮表面原有的油漆涂層以便于重新噴涂，橡膠輪胎模具需定期清理其附著的橡膠顆粒以保證表面的清潔度進(jìn)而保證生產(chǎn)輪胎的質(zhì)量及模具的壽命。金屬材料的損傷閾值較其表面污染物的激光清洗閾值要高，通過(guò)選擇合適功率激光即可達(dá)到較好的清洗效果，在一些領(lǐng)域已成熟應(yīng)用。王利華等人研究了激光清洗技術(shù)在處理鋁合金和鈦合金表面氧化皮中的應(yīng)用，研究結(jié)果表明使用能量密度為5.1 J/cm2 的激光可在清理A5083-111H 鋁合金表面氧化層的同時(shí)保持基底的良好質(zhì)量，使用平均功率為100 W 的脈沖激光以?huà)呙璧姆绞娇捎行逑粹伜辖鸨砻娴难趸瘜硬⑻岣卟牧媳砻嬗捕取?guó)內(nèi)銳科激光、大族激光、深圳創(chuàng)鑫等公司研制的激光清洗設(shè)備已廣泛應(yīng)用于輪胎等橡膠模具、金屬銹蝕層、零部件表面油污等清洗。

3）文物領(lǐng)域

文物和紙張表面的清理金屬文物和石質(zhì)文物等由于歷史悠久，在其表面會(huì)出現(xiàn)如灰垢、墨跡等污染物，需將這些污染物進(jìn)行清理以復(fù)原文物。書(shū)畫(huà)等紙張?jiān)诖鎯?chǔ)不當(dāng)時(shí)其表面會(huì)生長(zhǎng)霉菌并形成菌斑，這些菌斑嚴(yán)重影響了紙張的原貌，尤其是對(duì)于文化或歷史價(jià)值高的紙張，會(huì)影響其欣賞和保護(hù)。趙瑩等人研究了紫外激光清洗宣紙上霉菌菌斑的可行性，試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用能量密度為3.2 J/mm2 的激光掃描1 次可清除薄的菌斑，掃描2 次可將菌斑清除干凈，但是如果使用的激光能量過(guò)高，會(huì)在清除菌斑的同時(shí)損壞宣紙。張曉彤等人采用激光垂直照射液膜法成功修復(fù)了一件鎏金青銅文物。張力程等在一件漢代彩繪女陶俑的修復(fù)中使用了激光清洗技術(shù)。袁曉東等人研究了激光清洗技術(shù)在石質(zhì)文物清洗中應(yīng)用的效果，分別對(duì)比了清洗前后砂巖本體的損傷及墨跡清洗、煙熏污染清洗、油漆污染清洗的效果。

結(jié)語(yǔ)

激光清洗技術(shù)是一種較為先進(jìn)的技術(shù)，在航空航天、電子電氣等高精尖領(lǐng)域具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。目前激光清洗技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域成熟應(yīng)用，得益于其高效、環(huán)保、清洗效果好等特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸拓寬。

激光清洗技術(shù)的發(fā)展不僅已經(jīng)在除漆、除銹等領(lǐng)域成熟應(yīng)用，近些年又有利用激光清洗金屬絲表面氧化層的報(bào)道。現(xiàn)有領(lǐng)域的拓展應(yīng)用和新領(lǐng)域的應(yīng)用是激光清洗技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。新型激光清洗設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)以及新型激光清洗設(shè)備的開(kāi)發(fā)會(huì)出現(xiàn)分化，發(fā)展出各種各樣的功能。在未來(lái)通過(guò)與工業(yè)機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)激光清洗也是可以實(shí)現(xiàn)的。

激光清洗技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）加強(qiáng)激光清洗理論研究，指導(dǎo)激光清洗技術(shù)應(yīng)用。查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，激光清洗技術(shù)沒(méi)有成熟的理論體系支撐，多數(shù)研究都是基于試驗(yàn)開(kāi)展的。建立激光清洗理論體系是激光清洗技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成熟的基礎(chǔ)。

（2）現(xiàn)有領(lǐng)域的拓展應(yīng)用及新領(lǐng)域的應(yīng)用。激光清洗技術(shù)已經(jīng)在除漆、除銹等領(lǐng)域成熟應(yīng)用，近些年又有利用激光清洗金屬絲表面氧化層的報(bào)道。現(xiàn)有領(lǐng)域的拓展應(yīng)用和新領(lǐng)域的應(yīng)用是激光清洗技術(shù)發(fā)展的沃土。

（3）新型激光清洗設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)。新型激光清洗設(shè)備的開(kāi)發(fā)會(huì)出現(xiàn)分化，一類(lèi)是覆蓋多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域具有一定通用性的設(shè)備，如一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)除漆和除銹功能，另一類(lèi)是針對(duì)特定需求的專(zhuān)用設(shè)備，如為了清洗小空間內(nèi)部的污染物可能需要設(shè)計(jì)特定工裝或者光纖實(shí)現(xiàn)功能。通過(guò)與工業(yè)機(jī)器人配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)激光清洗也是一個(gè)熱門(mén)的應(yīng)用方向。