光清洗介紹

光是一種電磁波，具有各自的波長(cháng)和相應的能量。它應用于物體的清洗是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，但應用面仍比較窄，設備成本較高。目前，應用于清洗的光有激光清洗和紫外線(xiàn)清洗兩種。

激光清洗

激光又稱(chēng)"萊塞"（LASER），是根據英文"LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation"詞頭縮寫(xiě)而成，其含義是“受激輻射產(chǎn)生的光放大”。它是20世紀科學(xué)技術(shù)的重大發(fā)現，已在國民經(jīng)濟各個(gè)領(lǐng)域尤其在光導通信領(lǐng)域得到廣泛應用。近年來(lái)，激光技術(shù)也涉及到了表面處理領(lǐng)域，如激光表面改性和激光清洗。激光清洗技術(shù)是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、銹斑或涂層發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，從而達到潔凈化的工藝過(guò)程。

1.激光清洗的原理特性

激光是在時(shí)間上和空間上高度集中的光束，除了具有光的一般特性外，由于釆用了光學(xué)諧振腔，還具有如下特點(diǎn)。

a.單色性強；

b.方向性好；

c.相干性好，激光的發(fā)散角很小，相干面積大，所以，空間相干性好：

d.亮度高，按光度學(xué)，空間發(fā)光體的亮度B的定義為

B=P/ΔΩΔS

式中：P——輻射功率；

ΔΩ——發(fā)光束的立體角；

ΔS——發(fā)光體的面積。

如發(fā)光功率僅為10mW的He-Ne激光，可比太陽(yáng)的亮度高幾千倍，所以說(shuō)激光束是能量高度集中的光束，聚焦后的激光可形成10??101?W/cm2功率密度的照射，并在10-11s內，便可將光能轉變?yōu)闊崮堋?/span>

激光清洗的原理正是基于激光束的高亮度（高功率）、高方向性并能瞬間轉化為熱能的特性，將工件表面的污垢熔化或汽化而被去除，同時(shí)可在不熔化金屬的前提下把金屬表面的氧化物銹垢除去。

由于激光清洗物質(zhì)、過(guò)程特點(diǎn)和所使用的激光器的波長(cháng)、能量密度和清洗方式的不同，激光清洗的機理也有所差別。歸納起來(lái)，激光清洗機理有如下幾種：

（1）燃燒汽化機理：對于油脂、油漆、橡膠等低燃點(diǎn)、易揮發(fā)的待清洗物質(zhì)而言，激光清洗的機理主要是燃燒汽化機理；

（2）熱沖擊與熱震動(dòng)誘導涂層剝落機理：對于橡膠、油漆甚至鐵銹等物質(zhì)，由于激光輻照產(chǎn)生的熱沖擊和熱震動(dòng)，或者污染物粒子發(fā)生熱膨脹，導致待清洗物質(zhì)直接剝落；

（3）激光燒蝕機理：采用高峰值功率的激光束使固體物質(zhì)瞬間汽化、消融而實(shí)現清洗的過(guò)程。激光燒蝕機理一般在準分子激光、高能量密度的Nd：YAG激光清洗固體污染物質(zhì)時(shí)發(fā)生，如激光除銹等技術(shù)。

（4）激光誘導沖擊波清洗機理：對于激光+液膜的清洗方法，當激光照射于液膜上時(shí)，液膜急劇受熱，產(chǎn)生爆炸性汽化，爆炸性沖擊波使基體表面的污物松散并隨沖擊波飛離加工物體的表面，達到去污的目的。這種方法也包括粒子熱膨脹、基體表面和污物粒子的振動(dòng)，但爆炸性沖擊波是主要的。此種方法所用液膜一般為水膜，或為少量的甲醇或乙醇與水的混合液體，覆蓋于工件表面的厚度約為10μm。

2.激光清洗的方法與特點(diǎn)

激光清洗的方法主要有5種：激光干洗法、激光+惰性氣體輔助法、激光+液膜輔助法、透明物質(zhì)的激光背射清洗法和激光+化學(xué)方法復合法。

（1）激光干洗法：即采用脈沖激光直接輻射去污。這是使用最為廣泛的激光清洗方法，它不需要清潔液或其他化學(xué)溶液，不會(huì )導致二次污染，而且潔凈度遠遠高于化學(xué)清洗方法。

（2）激光+惰性氣體輔助法：即激光輻射的同時(shí)，用惰性氣體吹向工件表面，當污物從表面剝離后，就被氣體吹離表面，避免清潔表面再次污染和氧化；惰性氣體輔助清洗方法可以進(jìn)一步提高零件的表面清潔程度。

（3）激光+液膜輔助法：即首先沉積或者涂覆一層液膜于待清洗的基體表面，然后用激光使液膜發(fā)生爆炸式蒸發(fā)，達到去污的目的。液膜物質(zhì)主要由一些易蒸發(fā)的特殊物質(zhì)組成，它可以起到降低激光能量，提高清洗效率的作用。

（4）透明物質(zhì)的激光背射清洗法：對于玻璃、單晶硅等激光透明物質(zhì)而言，將激光從背面透過(guò)清洗表面物質(zhì)，此種激光清洗的機理與前面相同，但是激光清洗的效果往往比前者理想，所需要的能量也更低。

（5）激光+化學(xué)去污組合法：用激光使污物松散后，再用非腐蝕性的化學(xué)方法去污。目前在工業(yè)生產(chǎn)中主要釆用前面四種清洗方法，其中激光干洗法和激光+液膜清洗方法用得最多；第五種方法僅見(jiàn)于藝術(shù)品的清洗保護中。

一般而言，激光清洗技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）清除物質(zhì)和適用的基材范圍廣泛，從大的塊狀污染物，如銹、手印、油污、油漆等，到小的微細顆粒，如灰塵和金屬超細顆粒等均可以采用此方法進(jìn)行清洗，適用的基材包括碳鋼、不銹鋼、銅等金屬及合金，單晶Si片、大理石、木板、紙張、陶瓷、玻璃與高分子材料等。

（2）利用被清洗物質(zhì)的物理化學(xué)性能差別及其對激光波長(cháng)與能量密度的清洗閾值不同，可以實(shí)現選擇性清洗。即在不損傷被清洗物質(zhì)本體的前提下，將所希望清洗的物質(zhì)去掉。例如，在清洗古典油畫(huà)等文物時(shí)，就可以通過(guò)激光器波長(cháng)與功率的選擇，只去掉油畫(huà)表面的污垢，而不損傷油畫(huà)本身的油墨。

（3）激光清洗過(guò)程屬非接觸性加工，可以進(jìn)行遠距離操作，通過(guò)調控激光工藝參數，可以在不損傷基材表面的基礎上，有效去除表面污染物；借助于現代化的手段，可以方便地實(shí)現自動(dòng)化操作。利用光纖將激光引入污染區，操作人員只需遠距離遙控操作，非常安全方便；通過(guò)設計相應的機械手，可對不同污染部位進(jìn)行選擇性的清洗。這對于一些特殊的應用場(chǎng)合，如核反應堆蒸發(fā)冷凝管的除銹等，具有重要意義。

（4）激光清洗過(guò)程無(wú)機械力作用，清洗表面的清潔度遠遠高于化學(xué)清洗工藝，因此在液晶、微電子元器件生產(chǎn)中可以發(fā)揮重要的作用。

（5）激光清洗設備可以長(cháng)期使用，運行成本低。

（6）激光清洗技術(shù)是一種“綠色”清洗工藝，消除的廢料是固體粉末狀，體積小，易于存放，對環(huán)境基本上不造成污染，等等。

3.激光清洗的應用

激光清洗技術(shù)在近10年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，它不僅是傳統清洗技術(shù)的補充和延伸，而且它以自身的許多特點(diǎn)在許多領(lǐng)域中逐步取代傳統清洗工藝，特別是不產(chǎn)生消耗臭氧層物質(zhì)（ODS），應用前景十分廣闊。目前，激光清洗的應用主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）激光清洗精密元器件的表面顆粒物

在微電子制造工藝中，微電路襯底表面的清潔度是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，因為微米級的個(gè)別外來(lái)微粒都可能導致電路失效，使元件的成品率下降?；砻鏆埓娴念w粒主要為金屬碎片、光致抗蝕劑屑、金屬離子、有機薄膜碎片等，顆粒的直徑范圍為50nm?80Pm。研究結果表明，采用激光清洗技術(shù)清除這些微粒物，清洗效果比采用超聲波振動(dòng)清洗的效果更加好?，F在，采用激光清洗微小顆粒，最小尺寸已經(jīng)達到50nm，可以滿(mǎn)足超大規模集成電路的要求，該技術(shù)現在已經(jīng)在工業(yè)中得到應用。類(lèi)似的成果同樣可以應用于制備超光滑的表面光學(xué)元件中。如鍍有反射膜的光學(xué)基片上殘留有微小雜質(zhì)時(shí)，會(huì )使光產(chǎn)生散射，并干擾周?chē)娜肷涔夂头瓷涔?。采用激光輔助清洗技術(shù)則可以有效地除去反射鏡表面殘留的極細微污染雜質(zhì)，保證光學(xué)元件的質(zhì)量。

（2）激光除銹

由于暴露在大氣環(huán)境中，橋梁、電視發(fā)射塔、高壓輸電線(xiàn)路的鐵架等高架建筑物的表層很容易銹蝕，影響了建筑物的外在美觀(guān)，如果不及時(shí)加以處理還很容易失效，造成突發(fā)事故。由于此類(lèi)建筑物非常龐大，采用常規清洗方法進(jìn)行維護非常不便，而采用非接觸式的激光清洗技術(shù)對銹蝕的表面進(jìn)行清洗，不僅能使金屬表面發(fā)生氧化的銹蝕層迅速熔化蒸發(fā)，而且可以在金屬構件表面形成一層幾微米厚的金屬熔凝層，它具有致密的組織，良好的耐腐蝕性，可以防止金屬進(jìn)一步銹蝕。圖4-28所示為鋼件表面鐵銹層激光

清洗前后的形貌，可見(jiàn)激光清洗后銹層不僅全部去掉，還形成了一層熔凝層。電化學(xué)分析測試結果表明，激光清洗后鋼件表向的耐蝕性有一定程度的提高?，F在，還有人在嘗試釆用激光除銹作為熱噴涂技術(shù)的預清洗工藝，或者采用激光清洗鍍鋅層等，都取得了一定的效果。

圖4-28鋼件表面鐵銹層激光清洗前后的形貌

圖片P211頁(yè)

（3）激光去除有機（涂）層

激光清洗技術(shù)在去除有機涂層如清除模具表面的橡膠層、除漆和剝除導線(xiàn)皮等方面具有獨到的優(yōu)勢，有關(guān)設備現在已經(jīng)在工業(yè)中得到初步應用。采用激光清洗輪胎模具表面的橡膠層，模具無(wú)須從硫化機上卸下從而實(shí)現在線(xiàn)清洗作業(yè)。根據殘余物的多少和膠料結構的不同，完全清洗好一個(gè)模具的時(shí)間大大縮短。激光清洗的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是只去掉橡膠層而不損傷模具，避免了常規噴砂清洗過(guò)程對模具的磨損。該技術(shù)已經(jīng)在國外多家輪胎生產(chǎn)廠(chǎng)中得到應用。

用激光除去物體表面漆層是一種先進(jìn)的退漆工藝，在航空工業(yè)中和船舶工業(yè)中有很大的應用空間，如清洗飛機的機體和大型船只表面的油漆。同傳統的溶劑清除和噴砂法相比，激光除漆清潔速度快，不會(huì )造成環(huán)境污染，能除掉不規則表面上的漆層。一般多用CO?激光除漆，或用光纖傳送固體激光進(jìn)行遠程激光除漆。例如，采用脈沖CO?激光器來(lái)燒蝕漆層，可以將0.005mm厚的漆層汽化而基體仍保持冷態(tài)，不受損傷。這種激光在數小時(shí)內可以將厚度1mm、面積36m2的漆層剝離，并有真空系統及過(guò)濾器對廢渣進(jìn)行處理，成本低。

在精密電子器件的加工中，采用激光來(lái)除去金屬導體上覆蓋的有機絕緣材料，如激光剝除導線(xiàn)皮和去除有機薄膜等很有必要。在微電子的制造工藝中，許多組件加工要求精確地從導線(xiàn)的一個(gè)或幾個(gè)位置除去絕緣層，要去掉的材料通常是聚酰亞胺、聚四氟乙烯之類(lèi)的有機材料，在導線(xiàn)很細的情況下，用傳統的方法無(wú)法完成。激光剝線(xiàn)能完全除去導線(xiàn)周?chē)慕^緣層，而導線(xiàn)本身和其余的絕緣層無(wú)燒灼、變形或掉色，并且不留下碎片。在微電子工業(yè)中，常用準分子激光進(jìn)行除去薄膜等選擇性加工。由于清除介質(zhì)材料的能量一般低于蝕除金屬膜所需的能量，因此準分子激光能夠從金屬基底上去掉聚合物膜、粘合劑或光刻膠，而不損傷金屬基底。

（4）激光清洗珍貴文物

由于文物和藝術(shù)品的重要性和特殊地位，使激光清洗技術(shù)在此領(lǐng)域的應用超過(guò)在其他領(lǐng)域中的應用，充分地發(fā)揮岀了激光清洗技術(shù)的獨特優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)在文物和藝術(shù)品領(lǐng)域的應用范圍非常廣泛，包括清洗古建筑表面、年代久遠的雕塑、珍貴的古錢(qián)幣和繪畫(huà)作品等。如意大利和奧地利兩國的專(zhuān)家采用波長(cháng)為1064nm，脈沖寬度小于10nm，激光光斑的直徑大于2.5mm，能量為1200mJ的固體激光器，應用光纖對激光進(jìn)行傳輸，清洗了建于14世紀中葉的意大利Albertino圣壇，實(shí)現了圖像的遠程大面積清洗，成功地除去了圣像表面上覆蓋的幾毫米厚的碳黑和灰泥硬殼層，清洗效率約為1?1.5m2/d，清洗后恢復了圖像的古色舊貌。

4.我國激光清洗技術(shù)與設備的應用現狀和發(fā)展趨勢

綜上所述，激光清洗技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品、文化產(chǎn)品及建筑中有廣泛的應用前景。我國研究人員從20世紀90年代開(kāi)始，從事激光清洗工藝研究和系統設備的開(kāi)發(fā)，在激光除銹、激光清洗橡膠輪胎模具和油漆、激光清洗顆粒物等方面積累了相當的工作經(jīng)驗，在此基礎上也開(kāi)發(fā)了部分激光清洗設備。但是，當前我國激光清洗技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品和文化產(chǎn)品中的真正實(shí)際應用還沒(méi)有起步，除了設備適應性、價(jià)格因素外，最主要的原因還在于宣傳的力度不夠，企業(yè)對該技術(shù)的認識程度有限。

隨著(zhù)激光清洗技術(shù)與設備發(fā)展的不斷深入，現有的成熟應用技術(shù)將會(huì )在我國得到推廣應用，例如我國飛機、艦船維護時(shí)表面油漆、電子行業(yè)中單晶硅板表面顆粒物的去除以及文物保護方面的清洗等。另一方面，現有的激光清洗設備體積和重量偏大，清洗效率偏低、激光清洗質(zhì)量評估系統的自動(dòng)化程度低以及缺乏激光清洗工藝的數據庫等，仍然是制約激光清洗技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的瓶頸。激光清洗系統正向低成本、便攜式、自動(dòng)化方向發(fā)展，這也是決定激光清洗技術(shù)能否得以廣泛應用的關(guān)鍵所在。此外，激光清洗設備制造企業(yè)還應該與相關(guān)的應用單位密切合作，聯(lián)合開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足特定需要的新型清洗設備。

紫外線(xiàn)清洗

在石英、玻璃、陶瓷及硅片和帶有氧化膜的金屬等材料上的有機污垢物的去除常用到紫外線(xiàn)的清洗作用。下面介紹紫外線(xiàn)的產(chǎn)生以及它的清洗作用。

1.紫外線(xiàn)和它的作用

紫外線(xiàn)是一種波長(cháng)在可見(jiàn)光與X射線(xiàn)之間的光線(xiàn)，是波長(cháng)在100~400nm范圍的電磁波。通常的光學(xué)玻璃可透過(guò)波長(cháng)在350nm以上的紫外線(xiàn)，水晶和石英玻璃能透過(guò)波長(cháng)更短一些的紫外線(xiàn)。紫外線(xiàn)具有較高的能量，波長(cháng)越短的紫外線(xiàn)能量越高。一些物質(zhì)的分子吸收紫外線(xiàn)后會(huì )處于高能量的激發(fā)狀態(tài)，有解離或電離的傾向。

（1）紫外線(xiàn)引起有機物的分解：紫外線(xiàn)對微生物有很強的殺滅作用，因此在制備超純水時(shí)要利用紫外線(xiàn)進(jìn)行殺菌處理。當微生物中的有機物分子中的原子，吸收波長(cháng)在210?296nm的紫外線(xiàn)后，會(huì )被激發(fā)進(jìn)而引起有機物分子的分解。研究結果表明，殺菌力最強的紫外線(xiàn)波長(cháng)在265nm附近。同樣道理，紫外線(xiàn)可使有機性污垢分解去除。

（2）紫外線(xiàn)促進(jìn)臭氧分子的生成：當空氣中的氧分子吸收240nm以下波長(cháng)的紫外線(xiàn)后會(huì )生成臭氧分子。在生成臭氧的同時(shí)也生成有強氧化力的激發(fā)狀態(tài)的氧氣分子。

（公式P213頁(yè)）

由于太陽(yáng)光中含有大量紫外線(xiàn)，在通過(guò)地球外層大氣圈時(shí)，具有高能量的短波紫外線(xiàn)（波長(cháng)240nm以下）與大氣中的氧氣反應，生成臭氧而被大氣吸收，只有能量較低的長(cháng)波紫外線(xiàn)能透過(guò)大氣層，大氣臭氧層的形成保護了地球上的生命免受紫外線(xiàn)的傷害。因此，保護大氣臭氧層這個(gè)天然屏障對人類(lèi)有著(zhù)非常重要的意義。

由于紫外線(xiàn)既可使組成污垢的有機物分子處于激發(fā)狀態(tài)，又能產(chǎn)生臭氧這種具有強氧化力的物質(zhì)，所以人們研究出利用紫外線(xiàn)一臭氧協(xié)同作用的清洗方法：紫外線(xiàn)一臭氧并用法（UV—O?法），它是干式清洗方法中重要的一種。

2.紫外線(xiàn)一臭氧并用清洗法（UV—O?法）

在這方面科學(xué)家們做了許多研究。如R.R.Sowell在1974年做過(guò)一個(gè)實(shí)驗：把一片被巴西棕櫚蠟污染過(guò)的玻璃用三氯乙烯溶劑清洗，然后在實(shí)驗過(guò)程中不斷用紫外線(xiàn)對玻璃進(jìn)行近距離照射，清洗之前，三氯乙烯在玻璃上的接觸角為30°，發(fā)現隨著(zhù)照射紫外線(xiàn)時(shí)間的延長(cháng)，接觸角逐漸降低。12h后達到洗凈玻璃在理論上可以達到的最小接觸角（4°?5°）。其實(shí)驗結果見(jiàn)圖4-29。

圖4-29紫外線(xiàn)一臭氧并用法清洗試驗

圖片P213頁(yè)

又如J.R.Vig等人在1976年利用圖4-30的實(shí)驗裝置對被皮脂污染過(guò)的石英晶片進(jìn)行清洗實(shí)驗。

圖4-30裝置中的光源為低壓汞燈，燈外罩玻璃是用熔融石英玻璃制成的（以保證紫外線(xiàn)完全可以通過(guò)）。裝置1中，低壓汞燈發(fā)出的光90%是波長(cháng)為253.7nm的紫外線(xiàn)，還有一定數量的波長(cháng)為184.9nm的紫外線(xiàn)。裝置2中低壓汞燈發(fā)射出的184.9nm波長(cháng)的紫外線(xiàn)被燈管玻璃吸收，只能發(fā)射出253.7nm的紫外線(xiàn)，把這個(gè)低壓汞燈與一個(gè)放電產(chǎn)生臭氧的臭氧發(fā)生器組合在一起。在距離汞燈為1cm處的輻照度為1.6W?cm-2。被皮脂污染過(guò)的石英晶片在清洗處理前后都用測定清潔度的裝置（蒸氣測試）進(jìn)行測定，實(shí)驗結果見(jiàn)表4-10。

圖4-30紫外線(xiàn)一臭氧并用法實(shí)驗裝置

表4-10紫外線(xiàn)一臭氧法實(shí)驗

表格P214頁(yè)

實(shí)驗結果表明，波長(cháng)253.7nm的紫外線(xiàn)能激發(fā)有機物污垢的分子，而波長(cháng)184.9nm的紫外線(xiàn)能激發(fā)氧氣生成臭氧，并與紫外線(xiàn)發(fā)生協(xié)同作用，最后使有機物污垢分子分解成揮發(fā)性小分子CO?、H?O和N?等。

只用臭氧和只用253.7nm波長(cháng)的紫外線(xiàn)清洗去污時(shí)，速度都很慢；而用圖4-30裝置1中的253.7nm波長(cháng)的紫外線(xiàn)與能激發(fā)氧氣產(chǎn)生臭氧的184.9nm波長(cháng)的紫外線(xiàn)去污時(shí)，以及用裝置2中的253.7nm波長(cháng)的紫外線(xiàn)和臭氧發(fā)生器協(xié)同作用時(shí)，都會(huì )使清洗速度大大加快。

根據這些實(shí)驗結果，人們目前已開(kāi)發(fā)出有一定功率的實(shí)用型紫外線(xiàn)一臭氧并用的清洗裝置。

但使用紫外線(xiàn)一臭氧法清洗還存在一些需要解決的問(wèn)題。主要有以下幾點(diǎn)：

①污垢中的無(wú)機成分或處理后的灰分會(huì )殘留在物體表面，因此需要釆用相應的辦法進(jìn)一步清除。

②處理時(shí)，當清洗對象表面與照射光源距離稍遠時(shí)，產(chǎn)生的會(huì )自動(dòng)分解失去作用。

③這種處理方法要求紫外線(xiàn)能透過(guò)清洗對象表面，對有立體結構的清洗對象不太適合，只能清洗平面結構的物體。

④由于需防止臭氧擴散對人體造成損害，需要在密閉裝置中進(jìn)行。

⑤由于臭氧是通過(guò)氧化反應去除污垢的，所以容易被氧化的表面不能用這種方法處理。

石英、玻璃、陶瓷、硅晶片以及帶有氧化膜的金屬等材料的平面結構物品進(jìn)行超精密清洗處理適合用這種方法。特別是能透過(guò)紫外線(xiàn)的石英以及半導體硅晶片集成線(xiàn)路表面殘留的光致抗蝕膜等污垢，用這種方法處理很合適。