激光清洗技术的原理、类型及应用

激光清洗技术是激光技术在工程领域的一种成功应用，其基本原理是利用激光能量密度高的特点，使激光与工件基底上附着的污染物相互作用，以瞬间受热膨胀、熔化、气体挥发等形式与工件基底分离。激光清洗技术具有高效、环保、节能等特点，已成功应用于轮胎模具清洗、飞机机体除漆、文物修复等领域。

传统清洗技术包括机械摩擦清洗（喷砂清洗、高压水枪清洗等）、化学腐蚀清洗、超声波清洗、干冰清洗等，这些清洗技术已经广泛应用于各行各业，如喷砂清洗通过选择不同硬度的磨料可以清洗金属绣斑、金属表面毛刺、电路板表面三防漆等，化学腐蚀清洗技术广泛用于设备表面油垢清洗、锅炉水垢清洗、输油管路清洗等领域。虽然这些清洗技术已发展成熟，但仍然存在一些问题，如喷砂清洗容易对处理表面造成损伤，化学腐蚀清洗会造成环境污染、处理不当时导致清理表面腐蚀。

激光清洗技术的出现是对清洗技术的一次革命。激光清洗技术利用了激光的能量密度高、精度高、可高效传导等优点，较传统清洗技术在清洗效率、清洗精度、清理位置等方面有明显优势，可有效避免化学腐蚀清洗等清洗技术会造成的环境污染，且不会对基底产生损伤。

激光清洗的原理

那么什么是激光清洗呢？激光清洗是通过激光束照射从固体（或有时为液体）表面去除材料的过程。在低激光通量下，材料被吸收的激光能量加热并蒸发或升华。在高激光通量下，材料通常会转换为等离子体。通常，激光清洗是指用脉冲激光去除材料，但是如果激光强度足够高，则可以用连续波激光束烧蚀材料。深紫外光的准分子激光器主要用于光烧蚀。用于光烧蚀的激光波长约为200nm。吸收激光能量的深度以及单个激光脉冲去除的材料量取决于材料的光学特性以及激光波长和脉冲长度。每个激光脉冲从靶标烧蚀的总质量通常称为烧蚀率。激光束扫描速度和扫描线覆盖率等激光辐射特征会显着影响烧蚀过程。

激光清洗技术的类型

1） 激光干式清洗: 干式激光清洗即脉冲激光直接照射清洗工件，使基底或表面污染物吸收能量温度升高，产生热膨胀或基底热振动，进而使二者分离。该方法大致分为2种情况：一种是表面污染物吸收激光膨胀；另一种是基底吸收激光产生热振动。

1969年，S.M.Bedair 等人发现包括热处理、化学腐蚀、喷砂清洗等表面处理方法均存在不同的缺点，同时，利用激光聚焦后的高能量密度可以使材料表面蒸发的现象存在无损清洗材料表面的可能，通过实验发现，使用功率密度为30 MW/cm2 的红宝石调Q 激光可以实现不损伤基底的情况清洗硅材表面污染物，首次实现了利用激光清洗材料表面污染物，即激光干式清洗。

整体速率可以通过膜层碎片脱离率进行表达，如下式：

式中，ε—激光脉冲能量指标，h—污染物膜层

厚度指标，E—膜层的弹性模量指标。

2）激光湿式清洗:在脉冲激光照射待洗工件前，先进行表面预涂液膜，在激光的作用下液膜温度快速升高而气化，气化的瞬间产生冲击波，作用在污染物颗粒中，使其从基体上脱落。此方法要求基体与液膜不能发生反应，故限制了应用材料的范围。

1991年，K.Imen 等人针对使用传统清洗方法处理后半导体晶圆、金属材料等表面有亚微米颗粒污染物残留的问题，研究了在材料基体表面涂覆一种可高效吸收激光的薄膜，随后使用CO2 激光器进行照射，薄膜吸收激光能量后温度迅速升高并沸腾，产生爆炸性汽化，将基体表面的污染物带走。这种清洗方式即为激光湿式清洗。

3）激光等离子体冲击波清洗：激光等离子体冲击波是在激光照射过程中击穿空气介质而产生球状等离子体冲击波，冲击波作用在待洗基体表面并且释放能量将污染物去除；激光未作用于基体，因此对基体不产生伤害。激光等离子体冲击波清洗技术现已可以清洗几十纳米粒径的颗粒污染物，并且对激光波长没有限制。

等离子清洗的物理原理可概括如下：

a) 激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收。

b) 大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体（高度电离的不稳定气体），产生冲击波。

c) 冲击波使污染物变成碎片并被剔除。

d) 光脉冲宽度必须足够短，以避免使被处理表面遭到破坏的热积累。

e) 实验表明当金属表面上有氧化物时，等离子体产生于金属表面。

等离子体只在能量密度高于阈值的情况下产生，这个阈值取决于被去除的污染层或氧化层。这个阈值效应对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。等离子体的出现还存在第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值，则基底材料将被破坏。为在保证基底材料安全的前提下进行有效的清洁，必须根据情况调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间。

2001年，J.M.Lee 等人利用高功率激光聚焦时会产生等离子体冲击波的特点，使用能量密度为2.0 J/cm2（远大于硅片的损伤阈值）的脉冲激光平行于硅片进行照射，成功清洗了吸附在硅片表面的1 μm 钨颗粒。这种清洗方式即为激光等离子体冲击波清洗，严格意义上说，激光等离子体冲击波清洗是干式激光清洗的一种。

上述3 种激光清洗技术最初的的目均为清洗半导体晶圆表面的微小颗粒，可以说激光清洗技术是随着半导体技术的发展而出现的。但是激光清洗技术不断应用于其他领域，如轮胎模具清洗、飞机蒙皮除漆、文物表面修复等。

在激光辐射的同时，可用惰性气体吹向基体表面，当污物从表面剥离后会立即被气体吹离表面，以避免表面再次污染和氧化。

激光清洗技术的应用

1）半导体领域

半导体晶圆及光学基片的清洗半导体晶圆和光学基片在加工过程中存在相同的工艺，即将原材料以切割、磨削等形式加工为需要的形状。在这个过程中会引入颗粒状污染物，这些污染物难以清除且重复污染问题严重。半导体晶圆表面的污染物会影响电路板印刷的质量，进而缩短半导体芯片的使用寿命。光学基片表面的污染物会影响光学器件及镀膜的质量，可能会导致能量不均匀，缩短使用寿命。由于激光干式清洗容易造成基体表面损伤，这种清洗方式在半导体晶圆与光学基片的清洗中应用较少，激光湿式清洗和激光等离子体冲击波清洗在该领域中有着较多成功的应用。徐传义等研究了在超光滑光学基片表面沉积微米级特制磁漆作为介质膜，随后使用脉冲激光器进行清洗，清洗效果较好，虽然其单位面积的杂质颗粒物增多，但是杂质颗粒尺寸和覆盖面积均明显下降，该方法可以有效清洗超光滑光学基片表面的微米级污染物颗粒。张平研究了激光等离子体清洗技术中工作距离和激光能量对不同粒径污染物颗粒清洗效果的影响，试验结果表明对于导电玻璃基片上的聚苯乙烯颗粒，能量为240 mJ 激光的最佳工作距离为1.90 mm，随着激光能量的增加清理效果明显增加，且大颗粒污染物更容易清理。

2）金属材料领域

金属材料表面的清理金属材料表面的清理相较于半导体晶圆及光学基片的清洗而言，清理的污染物属于宏观范畴。金属材料表面的污染物主要有氧化层（锈蚀层）、漆层、涂层、其他附着物等，按污染物类型可分为有机污染物（如漆层、涂层）和无机污染物（如锈蚀层）。金属材料表面污染物的清理主要为了满足后续加工或使用要求，如钛合金零件焊接前需清除材料表面约10μm厚的氧化层，飞机大修时需清除蒙皮表面原有的油漆涂层以便于重新喷涂，橡胶轮胎模具需定期清理其附着的橡胶颗粒以保证表面的清洁度进而保证生产轮胎的质量及模具的寿命。金属材料的损伤阈值较其表面污染物的激光清洗阈值要高，通过选择合适功率激光即可达到较好的清洗效果，在一些领域已成熟应用。王利华等人研究了激光清洗技术在处理铝合金和钛合金表面氧化皮中的应用，研究结果表明使用能量密度为5.1 J/cm2 的激光可在清理A5083-111H 铝合金表面氧化层的同时保持基底的良好质量，使用平均功率为100 W 的脉冲激光以扫描的方式可有效清洗钛合金表面的氧化层并提高材料表面硬度。国内锐科激光、大族激光、深圳创鑫等公司研制的激光清洗设备已广泛应用于轮胎等橡胶模具、金属锈蚀层、零部件表面油污等清洗。

3）文物领域

文物和纸张表面的清理金属文物和石质文物等由于历史悠久，在其表面会出现如灰垢、墨迹等污染物，需将这些污染物进行清理以复原文物。书画等纸张在存储不当时其表面会生长霉菌并形成菌斑，这些菌斑严重影响了纸张的原貌，尤其是对于文化或历史价值高的纸张，会影响其欣赏和保护。赵莹等人研究了紫外激光清洗宣纸上霉菌菌斑的可行性，试验结果显示，使用能量密度为3.2 J/mm2 的激光扫描1 次可清除薄的菌斑，扫描2 次可将菌斑清除干净，但是如果使用的激光能量过高，会在清除菌斑的同时损坏宣纸。张晓彤等人采用激光垂直照射液膜法成功修复了一件鎏金青铜文物。张力程等在一件汉代彩绘女陶俑的修复中使用了激光清洗技术。袁晓东等人研究了激光清洗技术在石质文物清洗中应用的效果，分别对比了清洗前后砂岩本体的损伤及墨迹清洗、烟熏污染清洗、油漆污染清洗的效果。

结语

激光清洗技术是一种较为先进的技术，在航空航天、电子电气等高精尖领域具有广阔的研究和应用前景。目前激光清洗技术已经在一些领域成熟应用，得益于其高效、环保、清洗效果好等特点，其应用领域也在逐渐拓宽。

激光清洗技术的发展不仅已经在除漆、除锈等领域成熟应用，近些年又有利用激光清洗金属丝表面氧化层的报道。现有领域的拓展应用和新领域的应用是激光清洗技术发展的基础。新型激光清洗设备的研制开发以及新型激光清洗设备的开发会出现分化，发展出各种各样的功能。在未来通过与工业机器人配合实现全自动激光清洗也是可以实现的。

激光清洗技术的发展趋势如下：

（1）加强激光清洗理论研究，指导激光清洗技术应用。查阅大量文献发现，激光清洗技术没有成熟的理论体系支撑，多数研究都是基于试验开展的。建立激光清洗理论体系是激光清洗技术进一步发展成熟的基础。

（2）现有领域的拓展应用及新领域的应用。激光清洗技术已经在除漆、除锈等领域成熟应用，近些年又有利用激光清洗金属丝表面氧化层的报道。现有领域的拓展应用和新领域的应用是激光清洗技术发展的沃土。

（3）新型激光清洗设备的研制开发。新型激光清洗设备的开发会出现分化，一类是覆盖多个应用领域具有一定通用性的设备，如一台设备可以同时实现除漆和除锈功能，另一类是针对特定需求的专用设备，如为了清洗小空间内部的污染物可能需要设计特定工装或者光纤实现功能。通过与工业机器人配合实现全自动激光清洗也是一个热门的应用方向。