DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2013.26.002
高 新 技 术
激光清洗技术的初步研究和应用①
苏春洲 栾晓雨 王海军 袁晓东 叶亚云
(中国工程物理研究院激光聚变研究中心 四川绵阳 621900)
摘 要:激光清洗技术与其他清洗方法(化学清洗、超声波清洗等)相比,具有保证清洗对象无损、清洗效果好、精细、无污染等优点,正在被广泛的研究和应用。根据去除原理的不同,激光清洗技术被分类为干式激光清洗、湿式激光清洗和激光等离子体冲击波等方法。本文介绍了本单位项目组对激光清洗技术的初步研究和应用。关键词:激光技术 激光清洗 激光应用中图分类号:TN249文献标识码:A文章编号:1672-3791(2013)09(b)-0003-04
*
The Preliminary Study and Application on Laser Cleaning
Su Chunzhou Luan Xiaoyu Wang Haijun Yuan Xiaodong Ye Yayun
(Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan,621900,China)
Abstract:Compared the conventional cleaning methods(e.g.,chemistry cleaning,ultrasonic cleaning),laser cleaning is recognized ascleaning objects without damage,effectively,precise removal,avoiding pollution environments and it is widely studied and used.According to the different mechanisms,laser cleaning can be classified as dry laser cleaning,steam laser cleaning and laser plasmashockwave.The preliminary study and application on laser cleaning is introduced in the paper.Key Words:Laser Technique;Laser Cleaning;Laser Application
激光清洗技术是基于激光与物质相互作用的一项新型清洗技术,能达到清除物体表面污染物的目的。经过多年发展,激光清洗技术已发展出干式激光清洗法[1～4]、湿式激光清洗法[5～7]和激光等离子体冲击波法[8～10]等清洗方式。与其他清洗方法(化学清洗、超声波清洗等)相比,激光清洗技术具有以下优势[11]:(1)无损情况下有效地清除基底表面微米量级污染物;(2)对基底不产生附加污染;(3)参数可控,可精确定位的精细清洗;(4)清洗效率高;(5)远距离清洗,清洗难以到达的部位;(6)“绿色”环保等。目前在国外,激光清洗技术正在被广泛的研究和应用,从应用领域上可分为三类[12～18]:(1)精密清洗,例如,电子线路板、半导体元件、硅片;(2)清洗大型物体,例如,建筑物外墙、文物;(3)在线清洗,例如,模具、脱漆。而在国内,激光清洗技术的研究一直到近几年才开始进行,还处于理论研究和实验室阶段,未开展应用研究
[19～28]
胀,从而克服基底对污染物的吸附力而脱落;(2)分子的光分解或相变,即在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸,使表面污垢松散并随此作用脱离基底表面;(3)激光脉冲的振动,利用高频率的脉冲激光辐照待清洗表面,使光束转变为声波产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂。基于上述作用,形成了干式激光清洗法和湿式激光清洗法。随后又提出了激光等离子体冲击波清洗法[8～10]。该方法是利用激光击穿周围介质产生等离子体冲击波清除污染物,可避免波长选择问题,且不是利用激光对物体直接辐照,因此损伤几率小。下面就分别介绍这三种方法。1.1干式激光清洗法
干式激光清洗法的清洗机理为:脉冲激光直接照射待清洗物,基底表面污染物或者基底吸收激光温度升高,发生热膨胀,热膨胀使污染物或者基底振动,使污染物克服表面吸附力脱离基底表面。虽然热膨胀很小,但在很短的激光作用时间内
会产生很大的脱离加速度。根据激光波长的选择,能产生有效清洗的类型有两种:一种如图1(a)所示,污染物对激光不吸收,基底对激光强吸收发生热膨胀作用;另一种如图1(b)所示,基底不吸收激光,污染物吸收激光发生热膨胀[1～4]。根据这两种清洗类型,在干式激光清洗之前,分析基底和污染物的特性对激光的吸收特性,选择一种基底和污染物对其吸收差别大的激光来进行清洗。1.2湿式激光清洗法
湿式激光清洗法的清洗机理为:在脉冲激光作用之前,人为地在待清洗物体表面涂覆一层液膜,液膜在激光照射下急剧受热,产生爆炸性气化,爆炸性冲击波使基底表面的污染物松散,并随冲击波反向离开物体表面,从而达到去污效果。根据激光波长的选择,能产生有效移除的类型有三种:一种是基底对此波长激光强吸收,液膜不吸收的类型,见图2(a);另一种是液膜对激光强吸收,基底不吸收型,见图2(b);第三种是液膜和基底对激光都吸
。本文主要介绍了激光清洗技术的基
本原理,以及本单位项目组对该技术的初步研究和应用。
1 基本原理
激光具有强度高、能量密度大、聚焦性强、方向性好的特点,激光辐照待清洗物体表面至少可以产生三个方面的作用[1～7]:(1)热膨胀效应,即利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别,使基底物质与表面污物吸收能量产生热膨
(a)基底吸收,污染物不吸收 (b)污染物吸收,基底不吸收
图
1
干式激光清洗示意图
①通讯作者:叶亚云(1986—),女,硕士,助理研究员,从事激光清洗技术的研究;[email protected]。
科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION３
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(a)基底强吸收型 (b)液膜强吸收型 (c)
基底和液膜共同吸收型
图
2
湿式激光清洗示意图
同。
1.3激光等离子体冲击波法
激光等离子体冲击波清洗法的实验原理如图3所示,激光在基底上方,当激光能量达到环境气体的击穿阈值时就能将气体击穿,产生一个近球状的等离子体冲击波,冲击波传播到基片时的冲击波力将基底上的污染物移除。该方法对波长没有选
图
3
激光等离子体冲击波清洗颗粒污染物示意图
择性,且由于激光不是直接照射基底表面,所以降低了基底的损伤几率。目前,利用激光等离子体冲击波清洗技术已经在实验上实现了几十纳米粒径的颗粒污染物的移除[8～10]。
以上即为三种主要的激光清洗方法的基本原理。三种清洗方法都可以实现有效清洗,在实际使用时,应针对不同基底表面的污染物,选择最合适的激光清洗方法和参数。
2 典型应用实例
2.1清洗光学元件
在高功率固体激光装置中,光学元件
图
4
表面的污染物严重影响了激光系统的正常运行。有些特殊光学元件(例如,镀金光栅)表面具有精细的结构,常规清洗技术无法解决其污染问题,激光清洗技术的提出为清洗特殊光学元件开辟了新的途径。
本单位项目组开展了光学元件的激光清洗技术研究,目前已进行了激光清洗镀金K9玻璃、K9玻璃表面的颗粒和油脂污染物,得到了良好的清洗效果以及相应的清洗规律[25～27]。图4是项目组利用激光等离子体冲击波法清除镀金K9玻璃表面的SiO2颗粒污染物的效果照片。图4(a)是利用激光清洗后镀金K9玻璃的暗场图,图中可看到明显的清洗分界线,左边区域是激光作用区,右边是激光未作用区,两边对比
图5 镀金K9玻璃样品在清洗前后的反射率曲线
可看出明显的清洗效果。图4(b)和图4(c)分别是清洗区和未清洗区放大50倍的显微照片,图4(c)中看到有SiO2颗粒分布在基片表面上,图4(b)表明经激光清洗后表面已观察不到SiO2颗粒,清洗效果很好。图5是激光清洗前后镀金K9玻璃的反射率曲线,图
收的类型,见图2(c)。与干式激光清洗法相比,湿式激光清洗法主要是靠界面处的沸腾压强,液膜的出现加强了的清洗效果,对于有些污染物,利用湿式激光清洗法具有更好的清洗效果和效率[5～7]。但是湿式激
光清洗中存在两个困难:(1)基片表面液膜厚度的一致性控制较为困难;(2)在清洗过程中液膜的引入可能会带来新的污染。国外文献中,液膜通常使用纯水、乙醇、乙醇+纯水的混合液、丙酮等,清洗
效
果
各
有
不
４科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
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等方面,具有宽广的前景。另外,在今天全球变暖、环境恶化、资源短缺的情况下,研究激光清洗这种洁净技术更具有节能和环保意义。
致谢:感谢国家科技支撑计划课题以及“十一五”科技支撑项目推广的支持。
参考文献
[1]Kelley JD,Hovis FE.A thermal de-tachment mechanism for particle re-moval from surfaces by pulsed laserirradiation[J].Microelectron ENG,1993(20):159-170.
[2]Lu YF,Song WD,Ye KD,et al.A
cleaning model for removal of par-(a)清洗前 (b)清洗后
图
6
清除岩壁表面字迹污染
ticles due to laser-induced thermalexpansion of substrate[J].Jpn J ApplPhys,1997(36):1304-1306.
[3]Lu YF,Song WD,Ang BW,et al. A
theoretical model for laser removalof particles form solid surfaces[J].Appl Phys A,1997(65):9-13.[4]Lee J M,Curran C,Watkins K G.
Laser removal of copper particles fromsilicon wafers using UV,visible andIR radiation[J].Appl Phys A,2001(73):
(a)清洗前 (b)清洗后
图
7
轮胎模具花纹处在激光清洗前后照片
219-224.
[5]K.Imen,S.J.Lee,S.D.Allen.Laser-assisted micron scale particle removal[J].Applied Physics Letter,1991,58(2):203-205.
[6]W.Zapka,W.Ziemlich,A.C.Tam.
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[10]J.M.Lee,K.G.Watkins.Removal of
中曲线分别是洁净的镀金K9玻璃、镀金K9污染后、激光清洗后样片的反射率曲线。由图中可看到污染后的镀金K9玻璃片反射率比洁净样品的反射率低,清洗后样品的反射率明显升高,并与洁净镀金K9玻璃反射率差别不大,说明了此方法的清洗效果。
2.2清洗石质文物
在文物保护领域中,中华民族数千年文明留下了许多令人瞩目的石质文物古迹。但是,石质文物表面的污染物影响文物美观,更严重威胁着文物的保存。本单位项目组在相关项目的支持下开展了石质文物表面污染物的激光清洗技术研究。目前已掌握石质文物的激光清洗工艺,研制了文物激光清洗机一台(发明专利已授权),并到山西大同云冈石窟、广西花山岩画、四川绵阳碧水寺等多个国家一级文物保护单位进行了演示实验,得到了良好的清洗效果。图6为项目组在广西花山岩画景区,利用激光清除岩壁上游人涂鸦字迹的照片。图6(a)、图6(b)分别为激光清洗前后的照片,从图中可以看出,岩壁上的“悬、乡”字迹被
去除,并且清洗过程中未见岩壁损伤现象发生[28]。
2.3清洗汽车轮胎模具
激光清洗技术还可以应用在汽车轮胎模具清洗方面,具有独有优势,本单位项目组开展了汽车轮胎模具的激光清洗技术研究。目前已掌握轮胎模具的激光清洗工艺,研制了激光清洗机原理样机一台。图7为汽车轮胎模具表面花纹处在激光清洗前后照片,图7(a)为激光清洗前,图7(b)为激光清洗后,从图中可以看出,清洗效果良好。
3 结论
本文将激光清洗技术用于高功率固体激光装置中光学元件清洗、石质文物保护以及汽车轮胎模具清洗方面,都得到了良好的清洗效果。根据目前国内外激光清洗技术的研究现状,该技术在国内具有广阔的发展空间。本文开展激光清洗技术研究,为推动激光清洗技术的我国的研究和应用打下基础,将此技术应用至清洗模具、除漆、除锈、微电子器件、建筑物外墙
科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION５
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of pharchment[J].J.Cult.Heritage,2000,1:S225-S232.
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激光清洗技术的初步研究和应用①
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摘 要:激光清洗技术与其他清洗方法(化学清洗、超声波清洗等)相比,具有保证清洗对象无损、清洗效果好、精细、无污染等优点,正在被广泛的研究和应用。根据去除原理的不同,激光清洗技术被分类为干式激光清洗、湿式激光清洗和激光等离子体冲击波等方法。本文介绍了本单位项目组对激光清洗技术的初步研究和应用。关键词:激光技术 激光清洗 激光应用中图分类号:TN249文献标识码:A文章编号:1672-3791(2013)09(b)-0003-04
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The Preliminary Study and Application on Laser Cleaning
Su Chunzhou Luan Xiaoyu Wang Haijun Yuan Xiaodong Ye Yayun
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激光清洗技术是基于激光与物质相互作用的一项新型清洗技术,能达到清除物体表面污染物的目的。经过多年发展,激光清洗技术已发展出干式激光清洗法[1～4]、湿式激光清洗法[5～7]和激光等离子体冲击波法[8～10]等清洗方式。与其他清洗方法(化学清洗、超声波清洗等)相比,激光清洗技术具有以下优势[11]:(1)无损情况下有效地清除基底表面微米量级污染物;(2)对基底不产生附加污染;(3)参数可控,可精确定位的精细清洗;(4)清洗效率高;(5)远距离清洗,清洗难以到达的部位;(6)“绿色”环保等。目前在国外,激光清洗技术正在被广泛的研究和应用,从应用领域上可分为三类[12～18]:(1)精密清洗,例如,电子线路板、半导体元件、硅片;(2)清洗大型物体,例如,建筑物外墙、文物;(3)在线清洗,例如,模具、脱漆。而在国内,激光清洗技术的研究一直到近几年才开始进行,还处于理论研究和实验室阶段,未开展应用研究
[19～28]
胀,从而克服基底对污染物的吸附力而脱落;(2)分子的光分解或相变,即在瞬间使污垢分子或使人为涂上的辅助液膜汽化、分解、蒸发或爆沸,使表面污垢松散并随此作用脱离基底表面;(3)激光脉冲的振动,利用高频率的脉冲激光辐照待清洗表面,使光束转变为声波产生共振使污垢层或凝结物振动碎裂。基于上述作用,形成了干式激光清洗法和湿式激光清洗法。随后又提出了激光等离子体冲击波清洗法[8～10]。该方法是利用激光击穿周围介质产生等离子体冲击波清除污染物,可避免波长选择问题,且不是利用激光对物体直接辐照,因此损伤几率小。下面就分别介绍这三种方法。1.1干式激光清洗法
干式激光清洗法的清洗机理为:脉冲激光直接照射待清洗物,基底表面污染物或者基底吸收激光温度升高,发生热膨胀,热膨胀使污染物或者基底振动,使污染物克服表面吸附力脱离基底表面。虽然热膨胀很小,但在很短的激光作用时间内
会产生很大的脱离加速度。根据激光波长的选择,能产生有效清洗的类型有两种:一种如图1(a)所示,污染物对激光不吸收,基底对激光强吸收发生热膨胀作用;另一种如图1(b)所示,基底不吸收激光,污染物吸收激光发生热膨胀[1～4]。根据这两种清洗类型,在干式激光清洗之前,分析基底和污染物的特性对激光的吸收特性,选择一种基底和污染物对其吸收差别大的激光来进行清洗。1.2湿式激光清洗法
湿式激光清洗法的清洗机理为:在脉冲激光作用之前,人为地在待清洗物体表面涂覆一层液膜,液膜在激光照射下急剧受热,产生爆炸性气化,爆炸性冲击波使基底表面的污染物松散,并随冲击波反向离开物体表面,从而达到去污效果。根据激光波长的选择,能产生有效移除的类型有三种:一种是基底对此波长激光强吸收,液膜不吸收的类型,见图2(a);另一种是液膜对激光强吸收,基底不吸收型,见图2(b);第三种是液膜和基底对激光都吸
。本文主要介绍了激光清洗技术的基
本原理,以及本单位项目组对该技术的初步研究和应用。
1 基本原理
激光具有强度高、能量密度大、聚焦性强、方向性好的特点,激光辐照待清洗物体表面至少可以产生三个方面的作用[1～7]:(1)热膨胀效应,即利用基底与表面污染物对某一波长激光能量吸收系数的差别,使基底物质与表面污物吸收能量产生热膨
(a)基底吸收,污染物不吸收 (b)污染物吸收,基底不吸收
图
1
干式激光清洗示意图
①通讯作者:叶亚云(1986—),女,硕士,助理研究员,从事激光清洗技术的研究;[email protected]。
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(a)基底强吸收型 (b)液膜强吸收型 (c)
基底和液膜共同吸收型
图
2
湿式激光清洗示意图
同。
1.3激光等离子体冲击波法
激光等离子体冲击波清洗法的实验原理如图3所示,激光在基底上方,当激光能量达到环境气体的击穿阈值时就能将气体击穿,产生一个近球状的等离子体冲击波,冲击波传播到基片时的冲击波力将基底上的污染物移除。该方法对波长没有选
图
3
激光等离子体冲击波清洗颗粒污染物示意图
择性,且由于激光不是直接照射基底表面,所以降低了基底的损伤几率。目前,利用激光等离子体冲击波清洗技术已经在实验上实现了几十纳米粒径的颗粒污染物的移除[8～10]。
以上即为三种主要的激光清洗方法的基本原理。三种清洗方法都可以实现有效清洗,在实际使用时,应针对不同基底表面的污染物,选择最合适的激光清洗方法和参数。
2 典型应用实例
2.1清洗光学元件
在高功率固体激光装置中,光学元件
图
4
表面的污染物严重影响了激光系统的正常运行。有些特殊光学元件(例如,镀金光栅)表面具有精细的结构,常规清洗技术无法解决其污染问题,激光清洗技术的提出为清洗特殊光学元件开辟了新的途径。
本单位项目组开展了光学元件的激光清洗技术研究,目前已进行了激光清洗镀金K9玻璃、K9玻璃表面的颗粒和油脂污染物,得到了良好的清洗效果以及相应的清洗规律[25～27]。图4是项目组利用激光等离子体冲击波法清除镀金K9玻璃表面的SiO2颗粒污染物的效果照片。图4(a)是利用激光清洗后镀金K9玻璃的暗场图,图中可看到明显的清洗分界线,左边区域是激光作用区,右边是激光未作用区,两边对比
图5 镀金K9玻璃样品在清洗前后的反射率曲线
可看出明显的清洗效果。图4(b)和图4(c)分别是清洗区和未清洗区放大50倍的显微照片,图4(c)中看到有SiO2颗粒分布在基片表面上,图4(b)表明经激光清洗后表面已观察不到SiO2颗粒,清洗效果很好。图5是激光清洗前后镀金K9玻璃的反射率曲线,图
收的类型,见图2(c)。与干式激光清洗法相比,湿式激光清洗法主要是靠界面处的沸腾压强,液膜的出现加强了的清洗效果,对于有些污染物,利用湿式激光清洗法具有更好的清洗效果和效率[5～7]。但是湿式激
光清洗中存在两个困难:(1)基片表面液膜厚度的一致性控制较为困难;(2)在清洗过程中液膜的引入可能会带来新的污染。国外文献中,液膜通常使用纯水、乙醇、乙醇+纯水的混合液、丙酮等,清洗
效
果
各
有
不
４科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
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等方面,具有宽广的前景。另外,在今天全球变暖、环境恶化、资源短缺的情况下,研究激光清洗这种洁净技术更具有节能和环保意义。
致谢:感谢国家科技支撑计划课题以及“十一五”科技支撑项目推广的支持。
参考文献
[1]Kelley JD,Hovis FE.A thermal de-tachment mechanism for particle re-moval from surfaces by pulsed laserirradiation[J].Microelectron ENG,1993(20):159-170.
[2]Lu YF,Song WD,Ye KD,et al.A
cleaning model for removal of par-(a)清洗前 (b)清洗后
图
6
清除岩壁表面字迹污染
ticles due to laser-induced thermalexpansion of substrate[J].Jpn J ApplPhys,1997(36):1304-1306.
[3]Lu YF,Song WD,Ang BW,et al. A
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Laser removal of copper particles fromsilicon wafers using UV,visible andIR radiation[J].Appl Phys A,2001(73):
(a)清洗前 (b)清洗后
图
7
轮胎模具花纹处在激光清洗前后照片
219-224.
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中曲线分别是洁净的镀金K9玻璃、镀金K9污染后、激光清洗后样片的反射率曲线。由图中可看到污染后的镀金K9玻璃片反射率比洁净样品的反射率低,清洗后样品的反射率明显升高,并与洁净镀金K9玻璃反射率差别不大,说明了此方法的清洗效果。
2.2清洗石质文物
在文物保护领域中,中华民族数千年文明留下了许多令人瞩目的石质文物古迹。但是,石质文物表面的污染物影响文物美观,更严重威胁着文物的保存。本单位项目组在相关项目的支持下开展了石质文物表面污染物的激光清洗技术研究。目前已掌握石质文物的激光清洗工艺,研制了文物激光清洗机一台(发明专利已授权),并到山西大同云冈石窟、广西花山岩画、四川绵阳碧水寺等多个国家一级文物保护单位进行了演示实验,得到了良好的清洗效果。图6为项目组在广西花山岩画景区,利用激光清除岩壁上游人涂鸦字迹的照片。图6(a)、图6(b)分别为激光清洗前后的照片,从图中可以看出,岩壁上的“悬、乡”字迹被
去除,并且清洗过程中未见岩壁损伤现象发生[28]。
2.3清洗汽车轮胎模具
激光清洗技术还可以应用在汽车轮胎模具清洗方面,具有独有优势,本单位项目组开展了汽车轮胎模具的激光清洗技术研究。目前已掌握轮胎模具的激光清洗工艺,研制了激光清洗机原理样机一台。图7为汽车轮胎模具表面花纹处在激光清洗前后照片,图7(a)为激光清洗前,图7(b)为激光清洗后,从图中可以看出,清洗效果良好。
3 结论
本文将激光清洗技术用于高功率固体激光装置中光学元件清洗、石质文物保护以及汽车轮胎模具清洗方面,都得到了良好的清洗效果。根据目前国内外激光清洗技术的研究现状,该技术在国内具有广阔的发展空间。本文开展激光清洗技术研究,为推动激光清洗技术的我国的研究和应用打下基础,将此技术应用至清洗模具、除漆、除锈、微电子器件、建筑物外墙
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高 新 技 术
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