激光清洗技术的现状和发展趋势

摘要　本文就激光清洗技术的特点、激光器的选择和激光清洗机理进行了讨论，分析了国内 外激光清洗技术近两年的状况和发展趋势。

1　引　言　 　

在工业生产、古文物和艺术品保护以及牙齿疾病的治疗中，常常需要用到清洗技术。 工业制品的电镀、磷化、喷涂、焊接、包装以及集成线路装配过程中，必须除去表面上的油脂、灰尘、锈垢及残留的溶剂、粘结剂等污物，以确保下道工序的质量。由于环境污染和保 护不善等原因，大量文物和珍贵艺术品正逐渐锈蚀和污损，有的已被完全破坏，这就有必要采取措施除掉文物表面的污垢及锈蚀，恢复其旧貌。

传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法，尽管它们在清洗行业中得到广泛的应用，但在环境保护和高精度要求下其应用受到很大的限制。机械方法无法满足高清洁度清洗要求，而化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有限；特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面清洁度的要求。超声波清洗法尽管清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度，而且清洗后对工件的干燥亦是一大难题。激光清洗技术是近十年来飞速发展起来的新型清洗技术，它因自身的许多优点在许多领域中正逐步取代传统清洗工艺。它能适应各种表面污物的清洗，对环境污染极小，也可以做到不损伤基体。目前该方法已成为传统清洗方法的补充和延伸，并因其固有的许多优点而展示了广阔的应用前景。

2　激光清洗技术的分类和特点

激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程。

与传统清洗工艺相比，激光清洗技术具有以下特点：（1）它是一种“干式”清洗，不需要清洁液或其他化学溶液，且清洁度远远高于化学清洗工艺；（2）清除污物的范围和适用的基材范围十分广泛；（3）通过调控激光工艺参数，可以在不损伤基材表面的基础上，有效去除污染物，使表面复旧如新；（4）激光清洗可以方便地实现自动化操作；（5）激光去污设备可以长期使用，运行成本低；（6）激光清洗技术是一种“绿色”清洗工艺，消除的废料是固体粉末状，体积小，易于存放，基本上不污染环境。

激光清洗的方法一般有四种：（1）激光干洗法，即采用脉冲激光直接辐射去污；（2 ）激光＋液膜的方法，即首先沉积一层液膜于基体表面，然后用激光使液膜发生爆炸去污； （3 ）激光＋惰性气体的方法，即激光辐射的同时，用惰性气体吹向工件表面，当污物从表 面剥离后，就被气体远远吹离表面，避免清洁表面再次污染和氧化；（4）用激光使污物 松散后，再用非腐蚀性的化学方法去污。目前在工业生产中主要采用前面三种清洗方法，其 中激光干洗法取激光＋液膜清洗方法用得最多；第四种方法仅见于艺术品的清洗保护中。

3　激光器的选择 　　

利用激光进行清洗时，激光器的选择关系着后续的 清洗工作，所以激光器的选择极为重要。目前激光器的种类比较多，如CO₂激光器、Nd：YAG 激光器和准分子激光器等，这几种激光器都可以实现激光清洗，但激光器的选择还是有规律可循，一般来说，在高精度的要求高于大体积清除或成本的要求时，准分子激光器是较为合适的工具；在其他情况下则以CO₂和固体激光器为佳。对于微电子工业来说，一般选用准分子激光器，如KrF准分子；对于模具的清洗则采用CO₂或YAG激光器比较好；而对于激光敷层的清除，CO₂激光器的效果最好，特别是TEA CO₂激光器在这一领域极具发展前途；由于CO₂激光器不能用光纤传送，远程清洗应用受到很大限制，这为YAG激光器的应用提供了广阔的空间。另外，如果事先知道表面污染物的成分，则可以根据污染物最佳吸收波长来选择激光器的种类。

4　激光清洗的机理　　

激光清洗机理主要是基于物体表面污染物吸收激光能量后，或汽化挥发，或瞬间受热膨胀而克服表面对粒子的吸附力，使其脱离物体表面，进而达到清洗的目的。目前对激光清洗的机理存在着一些分歧，但大多数机理都能对激光清洗实验中的一些现象进行合理的解释，归纳起来大致包括激光汽化分解、激光剥离、污物粒子热膨胀、基体表面振动和粒于振动四个方面；而且激光清洗常常是多种机理同时作用的结果。

而本文作者根据大量的实验结果分析认为，激光清洗机理根据表面附着物和基体热物理参数差别大小而有所不同。当表面附着物与基体材料的热物理参数差别较大时，激光清洗机理包括：烧蚀汽化、热振动与热冲击机理和声波振碎机理，如激光清洗漆层和橡胶层。当表面附着物与基体材料的热物理参数差别不大时，主要是烧蚀汽化机理在起作用，如激光除锈。

5 激光清洗的机理

（1）国外现状

近两年国外在激光清洗技术方面的研究情况见表1。从表1所显示的情况可知：激光清 洗技术参数和机理方面的研究正逐渐减少，有关应用的研究占了主导地位，并在实际应用中 展示了该技术的优越性；同时，激光清洗的配套设备也比过去更加完善。从表1还可以看出 ，激光清洗技术在文物和艺术品保护方面的应用明显多于在其他方面的应用，而且多用YAG 激光器。

（2）国内现状

表2为目前国内激光清洗技术的发展状况。从表中可以看到，国内关于激光清洗技术的研究仍然处于参数和机理研究阶段，在应用方面还是一片空白。作者在实验的基础上就激光清洗模具的实际应用进行了有益的尝试，但因为激光器的硬件和成本限制，使得该技术在实际应用中的推行没有多大的进展。值得一提的是，在激光清洗实验中我们采用的是激光束连续扫描的方式，即面清洗技术，国外也多数采用这样的工作方式，清洗效率比较高；但国内其他研究单位一般都采用定点多脉冲清洗方式，清洗效率低，只能满足实验的要求。

6 激光清洗实例 　

(1)激光清洗圣坛上的圣像

意大利的Albertino圣坛建于14世纪中叶，由于经历的时间很长，圣坛上的圣像表面 覆盖了一层几毫米厚的碳黑和灰泥层，严重影响了文物的外观。为了恢复圣像的古色，必须采用清洗手段去除表面的硬壳层，文物单位最后确定由意大利和奥地利两国专家采用激光清 洗技术来实现。他们采用的激光器的波长为1064nm，脉冲宽度小于10ns，激光光斑的直径大 于2.5mm，能量为1200mJ，激光采用光纤传输，实现了图像的远程大面积清洗，清洗效率达到1～1.5m²／天，清洗后恢复了图像的古色旧貌。

（2）激光清洗模具

我们采用Q开关Nd：YAG脉冲激光器，波长为1064nm，脉冲宽度为200ns，激光光斑的直径为0.09mm，能量密度为0～85.0J／cm²，激光扫描速度范围为0～2000mm／s，对轮胎印字模具和汽车轮胎模具表面覆盖的橡胶层进行了激光清洗，橡胶层的厚度为16μm。实验中采用的扫描速度为300mm／s，在71.2J／cm²的能量密度下实现了对模具表面橡胶层的完全清洗，而对模具基材表面无任何损伤，清洗效率为0.4m²／h。

7　激光清洗技术的展望 　　

激光清洗技术近两年发展很快，不论是对激光清洗的工艺参数和清洗机理、清洗对象的研究或是应用方面的研究都取得了很大的进展。然而激光清洗技术在经过大量理论方面的研究后，其研究重心正不断偏向于应用方面的研究，并在应用方面取得了可喜的成果。由于激光器及其配套硬件的费用较高，使激光清洗技术的应用范围受到极大的限制，特别在低成本对象的清洗中还难以承受。今后激光清洗技术在文物和艺术品的保护方面将得到更广泛的应用，其市场前景非常广阔。随着科学技术的发展，如果激光器及其硬件的成本不断下降，该项技术在工业中的应用也将成为现实，其应用范围也会随之拓宽。