激光清洗：表面凈化的黑科技

對(duì)于清洗技術(shù)，我們最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清洗劑和清潔工具。但是傳統(tǒng)的清洗技術(shù)無(wú)一例外會(huì)對(duì)清洗對(duì)象產(chǎn)生不同程度的磨損和破壞。隨著科技的進(jìn)步和精確程度的極致追求，清洗這一概念早就不再局限在“刷盤子”之類的簡(jiǎn)單清洗。人們對(duì)于清洗對(duì)象的范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)于清洗要求的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。脆弱的文物經(jīng)不起拋光打磨，光滑的金屬表面需要極致的養(yǎng)護(hù)，微小的器件需要完美的清潔方法，激光清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

早在1965年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者肖洛用脈沖激光照射到一張印有油墨字跡的紙上，紙面的墨色字體快速汽化，而紙本身沒(méi)有損傷，成功將紙上的油墨字跡“擦除”。從此打開了脈沖激光清洗技術(shù)的大門。1973年，阿斯姆斯團(tuán)隊(duì)最早報(bào)道了使用激光清洗文物的工作；1974年?？怂褂肣開關(guān)釹玻璃激光有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國(guó)制造技術(shù)中心的扎普卡等人用聚焦激光照射掩模版，成功地將附著在掩模版上的微粒污染物清洗掉。而后又經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，激光清洗技術(shù)已經(jīng)取得了極大的發(fā)展與進(jìn)步。

激光清洗：表面凈化的黑科技

對(duì)于清洗技術(shù)，我們最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清洗劑和清潔工具。但是傳統(tǒng)的清洗技術(shù)無(wú)一例外會(huì)對(duì)清洗對(duì)象產(chǎn)生不同程度的磨損和破壞。隨著科技的進(jìn)步和精確程度的極致追求，清洗這一概念早就不再局限在“刷盤子”之類的簡(jiǎn)單清洗。人們對(duì)于清洗對(duì)象的范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)于清洗要求的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。脆弱的文物經(jīng)不起拋光打磨，光滑的金屬表面需要極致的養(yǎng)護(hù)，微小的器件需要完美的清潔方法，激光清洗技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

早在1965年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者肖洛用脈沖激光照射到一張印有油墨字跡的紙上，紙面的墨色字體快速汽化，而紙本身沒(méi)有損傷，成功將紙上的油墨字跡“擦除”。從此打開了脈沖激光清洗技術(shù)的大門。1973年，阿斯姆斯團(tuán)隊(duì)最早報(bào)道了使用激光清洗文物的工作；1974年?？怂褂肣開關(guān)釹玻璃激光有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國(guó)制造技術(shù)中心的扎普卡等人用聚焦激光照射掩模版，成功地將附著在掩模版上的微粒污染物清洗掉。而后又經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，激光清洗技術(shù)已經(jīng)取得了極大的發(fā)展與進(jìn)步。

(圖源自維基百科)

激光清洗的原理及作用機(jī)制

激光清洗是一種利用高能激光束照射物體表面，通過(guò)光學(xué)、熱學(xué)效應(yīng)使雜質(zhì)、污染物或者涂層迅速蒸發(fā)或剝離的先進(jìn)清洗技術(shù)。

圖(1) 激光清洗原理圖

激光清洗技術(shù)的核心部件是具有大脈沖能量、高平均功率、高峰值功率的脈沖激光器。眾所周知，激光是一種具有高亮度，高一致性和高定向性的光源。而脈沖激光則是在極短時(shí)間內(nèi)釋放出高能量的激光束，具有很高的峰值功率和瞬時(shí)功率密度。相比于連續(xù)激光，高功率脈沖激光能夠在瞬間產(chǎn)生高溫，但由于時(shí)間極短，熱量來(lái)不及傳導(dǎo)到周圍材料，從而極大的降低了激光對(duì)基底材料的熱影響。高功率脈沖激光器還可以通過(guò)調(diào)整脈沖能量和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光清洗過(guò)程的精確控制。這種可調(diào)控性可以根據(jù)不同的清洗需求進(jìn)行定制，確保適應(yīng)不同材料和應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)激光束照射到被清洗的表面時(shí)，激光能量被吸收，并在非常短的時(shí)間內(nèi)對(duì)污染物產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)。這種熱效應(yīng)導(dǎo)致污染物或涂層表面溫度升高，使其蒸發(fā)、分解或剝離。同時(shí)，脈沖激光的高能量密度使得它可以直接穿透某些材料，而不損害基底表面，清洗過(guò)程更為高效。

圖(2) 連續(xù)激光與脈沖激光(圖源自網(wǎng)絡(luò))

由于清洗物的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，激光與之作用的機(jī)理種類繁多。所以激光清洗不僅僅是簡(jiǎn)單的高能量燒蝕，其中還涉及了分解、電離、降解、熔化、燃燒、氣化、振動(dòng)、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等物理化學(xué)變化過(guò)程。因此脈沖激光清洗的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等綜合物理化學(xué)變化過(guò)程。激光清洗作為非機(jī)械接觸的表面預(yù)處理方法，激光束可以按照設(shè)定好的的掃描方式作用于樣件表面，使得激光與表面的污物、銹蝕層或者涂層進(jìn)行充分的相互作用。在表面材料吸收激光的能量后，激光能量轉(zhuǎn)化為清洗提供所需的熱能、化學(xué)能和機(jī)械能。目前關(guān)于脈沖激光清洗的機(jī)理解釋主要有激光燒蝕作用機(jī)制和熱彈性膨脹剝離機(jī)制兩種學(xué)說(shuō)。

(1) 激光燒蝕作用機(jī)制

脈沖激光清洗過(guò)程中的熱作用燒蝕機(jī)制與激光功率密度密切相關(guān)。在燒蝕機(jī)制中，由于高功率脈沖激光器能夠在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量能量，導(dǎo)致高能量密度的激光束。這使得激光束在短時(shí)間內(nèi)集中在一個(gè)小區(qū)域，能夠迅速加熱和蒸發(fā)目標(biāo)表面的污染物或涂層。當(dāng)激光的能量足夠破壞表層物質(zhì)的化學(xué)鍵時(shí)，化學(xué)鍵發(fā)生振動(dòng)、彎曲、甚至斷裂，使得分子發(fā)生分解，表層污染物就被光分解。當(dāng)激光清洗的功率密度大于10^8 W/cm^2時(shí)，材料表面的污染層可能在吸收激光的能量后發(fā)生塑性變形產(chǎn)生爆炸性的反彈應(yīng)力；當(dāng)激光清洗的功率密度大于 10^9 W/cm^2 時(shí)，材料表面的污染層吸收高能量的激光而產(chǎn)生氣化或者因光學(xué)擊穿產(chǎn)生等離子體形成等離子體爆炸沖擊波，這些爆炸效應(yīng)力都會(huì)加速污染物從基材表面分離。

圖(3) 激光燒蝕作用機(jī)制示意圖(圖源自：宋峰,陳銘軍,陳晅等.激光清洗研究綜述(特邀)[J].紅外與激光工程,2023,52(02):28-49.)

(2) 熱彈性膨脹剝離機(jī)制

其包括熱彈性振動(dòng)、蒸汽壓力、光致壓力、相爆炸、沖擊波等。當(dāng)激光輻照在材料表面時(shí),基底材料和被清洗物均先發(fā)生熱膨脹。這種熱彈性膨脹產(chǎn)生的脫離應(yīng)力會(huì)率先清除掉部分表面物質(zhì)，這就是熱振動(dòng)機(jī)制。在振動(dòng)機(jī)制中，激光的熱效應(yīng)同樣會(huì)使污染物和基底的溫度升高，但由于所使用的激光能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燒蝕機(jī)制中的激光能量，因此污染物不會(huì)被直接燒蝕，而是出現(xiàn)機(jī)械斷裂、振動(dòng)破碎等現(xiàn)象。污染物以噴射方式被去除或被剝離基材表面。脈沖激光還可以將污染物或者基底材料表面顆粒周圍的空氣電離，形成等離子體沖擊波，將表面污染物去除。在濕式激光清洗中，將液膜(水、乙醇或其他液體)預(yù)先覆蓋在清洗物表面,然后用激光對(duì)其進(jìn)行照射.液膜吸收激光能量致使液態(tài)介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)力爆炸,爆炸的沸騰液體高速運(yùn)動(dòng),將能量傳遞給表層待清洗物,借助高瞬態(tài)的爆炸性力量去除表面污物以達(dá)到清洗目的。

圖(4) 熱彈性膨脹剝離機(jī)制示意圖(圖源自：宋峰,陳銘軍,陳晅等.激光清洗研究綜述(特邀)[J].紅外與激光工程,2023,52(02):28-49.)

激光清洗的典型應(yīng)用

40多年來(lái)，激光清洗作為一種新型高效的環(huán)保清洗技術(shù)，得到了飛速發(fā)展，在電子元器件清洗和脫漆除銹等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

(1) 激光清洗電子元器件

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，其硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗一直都是一大難題。傳統(tǒng)的化學(xué)清洗會(huì)造成極大的污染，而機(jī)械清洗和超聲清洗方法又無(wú)法達(dá)到所需的清洗效果。隨著科技發(fā)展，半導(dǎo)體、微電子設(shè)備越來(lái)越小，需要清洗的微粒尺寸也越來(lái)越小，清洗難度越來(lái)越大，而激光清洗技術(shù)的出現(xiàn)為這一問(wèn)題提供了新的解決方案,相關(guān)研究與應(yīng)用得到迅速發(fā)展。

由于電子元件表面脆弱以及器件表面常有鍍膜，傳統(tǒng)的激光燒蝕清洗存在損壞器件的風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們采用了一種新型的高效清洗技術(shù)。該技術(shù)利用高強(qiáng)度激光，經(jīng)由匯聚透鏡聚焦，誘導(dǎo)空氣擊穿形成高溫高密度的激光等離子體。由于所產(chǎn)生的等離子體迅速向四周膨脹，壓縮周圍的空氣，形成了強(qiáng)力的等離子體沖擊波。在這個(gè)過(guò)程中，高強(qiáng)度沖擊波的力學(xué)效應(yīng)使納米粒子能夠克服與基底表面的附著力，從而將粒子迅速“沖”走，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表面微粒的高效清洗。不同于傳統(tǒng)方法，激光等離子體沖擊波是在激光照射過(guò)程中通過(guò)擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波，只作用在待洗基體表面而不影響基體本身，從而避免了對(duì)器件的傷害。令人鼓舞的是，整個(gè)清洗過(guò)程中無(wú)需引入化學(xué)試劑的輔助，有效避免了對(duì)自然環(huán)境的負(fù)面危害。對(duì)于微電子基片常見(jiàn)的納米顆粒污染問(wèn)題，這一清洗技術(shù)表現(xiàn)出色，為解決這一難題提供了一種可行的、高效而環(huán)保的方法。

圖(5) 激光等離子體沖擊波清洗微粒原理圖

(2) 激光除銹

激光除銹是激光清洗技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，采用高峰值功率的脈沖激光照射在銹蝕層上。在這個(gè)過(guò)程中，激光能量被吸收，導(dǎo)致銹蝕層的溫度急劇上升，引發(fā)膨脹、熱沖擊和相變等變化，最終有效地去除銹蝕層。相對(duì)于傳統(tǒng)的除銹工藝，激光除銹具有一系列顯著優(yōu)勢(shì)。首先，激光除銹是非機(jī)械接觸過(guò)程，不會(huì)對(duì)工件表面造成機(jī)械損傷，從而保護(hù)了工件的完整性。其設(shè)備具備高度集成度，操作靈活，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，提高了生產(chǎn)效率和操作的便捷性。激光技術(shù)的良好方向性使得除銹過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，適應(yīng)于處理復(fù)雜曲面，提高了清洗的精準(zhǔn)度。此外，激光除銹過(guò)程產(chǎn)生的噪聲較低，無(wú)粉塵污染，有助于創(chuàng)造更清潔的工作環(huán)境。總體而言，激光除銹技術(shù)在除銹過(guò)程中展現(xiàn)出高效、精準(zhǔn)和環(huán)保等多方面的優(yōu)勢(shì)，為工業(yè)清洗領(lǐng)域提供了先進(jìn)的解決方案。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)清洗方法，還為工業(yè)生產(chǎn)提供了更加可持續(xù)和環(huán)保的選擇。

激光除銹的主要機(jī)制之一是通過(guò)激光束加熱材料發(fā)生氣化來(lái)實(shí)現(xiàn)銹蝕層的去除。然而，對(duì)于鐵基底氧化生成的銹蝕層，由于其表面疏松多孔，厚度在幾十微米到幾百微米之間，脈沖激光的氣化深度相對(duì)較有限。因此激光除銹的去除機(jī)制并非單一的氣化燒蝕，還涉及到其他清洗機(jī)制，如等離子體沖擊波和相爆炸。這意味著除了通過(guò)氣化去除銹蝕層外，激光還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的等離子體沖擊波，以及相爆炸等效應(yīng)，進(jìn)一步協(xié)同作用于銹蝕層，確保了更為全面和徹底的清洗效果。

圖(6)激光除銹效果前后對(duì)比圖(圖來(lái)自：陸思遠(yuǎn).激光清洗銹蝕鋼板的技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué),2017.)

隨著激光清洗技術(shù)的不斷發(fā)展，相信它能夠?yàn)榍逑葱袠I(yè)帶來(lái)更多創(chuàng)新和便捷。未來(lái)，我們有望見(jiàn)證激光清洗技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程帶來(lái)更大的效益，同時(shí)為環(huán)境保護(hù)做出更為積極的貢獻(xiàn)。激光清洗，成為清洗科技的亮眼之選，引領(lǐng)我們步入清洗領(lǐng)域的嶄新時(shí)代。（參考文獻(xiàn)略）