自從 20 世紀(jì) 60 年代第一臺(tái)激光器產(chǎn)生以來(lái)，具有相干性好、發(fā)散角小、能量高度集中等特點(diǎn)的激光在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，比如激光測(cè)距、激光加工、激光通訊等。到了 20 世紀(jì) 80 年代，人們發(fā)現(xiàn)把高能量的激光束聚焦后照射一些物品的被污染的部位，使被照射的物質(zhì)發(fā)生振動(dòng)、熔化、蒸發(fā)、燃燒等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，可以使污染物最終脫離物品表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表面污染物的清除，這就是激光清洗。此后十幾年來(lái)，激光清洗已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)走向了實(shí)際應(yīng)用，用于油污、銹蝕的去除、文物、微電子線路板等各種材料的清洗，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

激光清洗的物理原理

脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過(guò)程依賴于激光器所產(chǎn)生的光脈沖的特性，基于由高強(qiáng)度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導(dǎo)致的光物理反應(yīng)。其物理原理可概括如下：

（1）激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收；

（2）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；

（3）沖擊波使污染物變成碎片并被剔除；

（4）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；

（5）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；

（6）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。每個(gè)激光脈沖去除一定厚度的污染層。如果污染層比較厚，則需要多個(gè)脈沖進(jìn)行清洗。將表面清洗干凈所需要的脈沖數(shù)量取決于表面污染程度。由兩個(gè)閾值產(chǎn)生的一個(gè)重要結(jié)果是清洗的自控性。能量密度高于第一閾值的光脈沖將一直剔除污染物，直到達(dá)到基底材料為止。又因?yàn)槠淠芰棵芏鹊陀诨撞牧系钠茐拈撝?，所以基底不?huì)受到破壞。

Nd:YAG激光清洗器特點(diǎn)

（1）它屬于四能級(jí)系統(tǒng)，量子效率高，受激輻射界面大，閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于紅寶石和釹玻璃；

（2）具有良好的熱穩(wěn)定性能，熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)小，適用于脈沖、連續(xù)、高重復(fù)率等多種器件，是目前能在室溫下連續(xù)工作的、唯一實(shí)用的固體工作物質(zhì)；

（3）YAG 晶體各向同性，硬度大，化學(xué)性能穩(wěn)定，易于制成高穩(wěn)定度要求的器件。它已成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的主要固體工作物質(zhì)；

（4）Nd:YAG 器件已廣泛用于材料加工。除了在激光打孔、焊接、熱處理、打標(biāo)、書(shū)寫(xiě)、動(dòng)平衡等加工中應(yīng)用外，它還能在微細(xì)加工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。尤其是大規(guī)模集成電路的加工，已顯示出它獨(dú)有的優(yōu)越性。

圖 激光清洗裝置示意圖（該設(shè)置適用于較小的清洗部件）

在使用Nd:YAG三倍頻激光清洗鍍膜的K9玻璃表面的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)際的某大型激光裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的光學(xué)表面污染問(wèn)題，在污染物的選擇上，主要選用油脂作為實(shí)驗(yàn)中的污染物。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明使用 Nd:YAG 三倍頻激光照射被污染的化學(xué)膜層，在同等能量照射下，脈沖數(shù)越多，污染物面積越少；而在相同脈沖數(shù)下，照射能量越高，污染物面積越少。低能量、多次脈沖與高能量、一次脈沖可以達(dá)到相同的清洗效果。

激光清洗效益可觀

微米、亞微米級(jí)細(xì)微顆粒的去除是半導(dǎo)體、微電子、微型機(jī)械、精密光學(xué)等高新技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。細(xì)微顆粒與基體表面之間強(qiáng)大的附著力使常規(guī)去除方法難以奏效，短脈沖激光能有效清除微米、亞微米級(jí)細(xì)微顆粒。

激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，運(yùn)行成本低，更重要的是，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。它以自身的優(yōu)勢(shì)和不可替代性在許多領(lǐng)域中逐步取代了傳統(tǒng)清洗工藝。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，激光清洗技術(shù)會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中的各個(gè)領(lǐng)域。

我國(guó)在這方面的研究剛剛開(kāi)展，目前雖然還難以詳細(xì)估計(jì)激光清洗技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)份額，但上述領(lǐng)域不少屬于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，激光清洗技術(shù)滲入其中后，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是十分可觀的。利用我國(guó)現(xiàn)有的激光技術(shù)條件，開(kāi)發(fā)配套的激光清洗設(shè)備，并使其在短時(shí)間內(nèi)實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化是完全可能的，對(duì)推動(dòng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展本身亦具有重要而深遠(yuǎn)的意義。

作者：李鴻鵬1，郭寶錄2

1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院

2.空軍駐錦州地區(qū)軍事代表室

參考文獻(xiàn)

李鴻鵬,郭寶錄 Nd:YAG脈沖激光清洗技術(shù)研究[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2018, 33(2): 63～57