光清洗介紹

光是一種電磁波，具有各自的波長和相應的能量。它應用於物體的清洗是近年來發展起來的（de），但應用麵仍比較（jiào）窄，設（shè）備（bèi）成本較高（gāo）。目前，應用於清洗的光有激光（guāng）清洗和紫外線清洗兩種。

激（jī）光清洗

激光又稱"萊塞"（LASER），是根據英文"LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation"詞頭縮寫而成，其含義是“受激輻射產生的光放大”。它是20世紀科（kē）學（xué）技術的重大發（fā）現，已在國民經濟各個領域尤其在光導通信領域得到廣泛應用。近年來，激光技術也涉及到了表（biǎo）麵處理領域，如激光表麵（miàn）改性和激光清洗。激光清洗技術是指采用高能激光束照射工（gōng）件表麵，使表麵的汙（wū）物、鏽斑或塗層發生瞬間蒸發或剝（bāo）離，從而達到潔淨化的工藝（yì）過程。

1.激光清洗（xǐ）的原理特性

激光是在時間上和（hé）空間上高度集中的光束，除了具有光的一般特性外，由於釆用了光學諧振腔，還具有（yǒu）如下特點。

a.單色（sè）性強；

b.方向性（xìng）好；

c.相幹性好，激（jī）光的（de）發散角很（hěn）小，相（xiàng）幹麵（miàn）積大，所以，空（kōng）間相幹性好（hǎo）：

d.亮度（dù）高，按（àn）光度學，空間發光體的亮度B的定（dìng）義為

B=P/ΔΩΔS

式中：P——輻射功率；

ΔΩ——發（fā）光束（shù）的立體（tǐ）角；

ΔS——發光體的麵（miàn）積。

如發（fā）光功率（lǜ）僅為10mW的He-Ne激光，可比太陽的亮度高幾千倍，所以說激光束是能量高度集中的（de）光束，聚（jù）焦後的激光可形成10⁴〜10¹⁵W/cm²功率密度的照射，並在10-¹¹s內（nèi），便可將光能轉（zhuǎn）變為熱能。

激光清洗（xǐ）的原理正是基（jī）於激光（guāng）束的高亮度（高功率）、高方向性並（bìng）能瞬間轉化為熱能的特性，將工件表麵的汙垢熔化（huà）或汽化而被去除，同時可在不熔（róng）化金屬的前提下把金屬表麵的氧（yǎng）化物鏽垢除去。

由於激光清洗物質、過（guò）程特點和所使（shǐ）用的激光器的波長、能量（liàng）密度和清洗方式的不同，激光清洗的機（jī）理也有所差別。歸（guī）納起來，激光清洗機理（lǐ）有如下幾種：

（1）燃燒汽化機理：對於油脂、油（yóu）漆、橡膠等低燃點、易揮發的待清（qīng）洗物質而（ér）言，激光清洗的（de）機（jī）理主要是燃燒汽化機理（lǐ）；

（2）熱（rè）衝擊與熱震動誘導塗層剝落機理：對於橡膠（jiāo）、油漆甚至鐵鏽等物質，由（yóu）於激光輻照產生的熱衝（chōng）擊和熱震動，或者汙染物粒子發生熱膨脹，導致待清洗物質直接剝落；

（3）激光燒蝕機理：采用高（gāo）峰值功率的激光束使固體物（wù）質瞬間汽化、消（xiāo）融而實現清（qīng）洗的過（guò）程。激光燒（shāo）蝕機理一般在準分子激（jī）光、高能量密度的Nd：YAG激光清洗固體汙染物質時（shí）發（fā）生，如（rú）激光除鏽等（děng）技術。

（4）激（jī）光誘導衝擊波清洗機理：對於激光+液膜的清洗方法（fǎ），當激光照射於液膜上時，液（yè）膜急劇受熱，產生爆炸性汽化（huà），爆炸性衝擊波使基體表麵（miàn）的汙物鬆（sōng）散並隨衝擊波飛離加（jiā）工物體的（de）表麵，達到去（qù）汙的目的。這（zhè）種方法也（yě）包括粒子熱膨脹、基（jī）體表（biǎo）麵和汙物粒子的振動，但爆炸性（xìng）衝擊波是主要的。此種方法所用液膜一般為水膜，或為少量的甲醇或乙醇與（yǔ）水的混合液體，覆蓋於工件表麵的厚度約為（wéi）10µm。

2.激光清洗的方法與特點

激光清洗的方法主要有5種：激光（guāng）幹洗法、激光+惰性（xìng）氣（qì）體輔助法、激光（guāng）+液膜輔助法、透明物質的激（jī）光背射清（qīng）洗法和激光（guāng）+化學方法複合法。

（1）激光幹洗法：即采用脈衝激光直接輻射（shè）去汙（wū）。這是使用最為廣泛（fàn）的激光清（qīng）洗方法，它不需要清潔液或（huò）其他化學溶液，不（bú）會導致（zhì）二次汙染，而且潔淨（jìng）度遠遠高於化學（xué）清洗方法。

（2）激光+惰性氣體輔助（zhù）法（fǎ）：即激光輻射的同時，用惰性氣體吹向工件表（biǎo）麵，當汙物從表麵剝離後，就被氣（qì）體吹離表麵，避免清潔表麵（miàn）再（zài）次汙染和氧化；惰性氣體輔助清洗方法可以進一步提高零件的表麵清（qīng）潔程度。

（3）激光（guāng）+液膜輔助法：即首先沉積或者塗覆一層液膜於（yú）待清（qīng）洗的基體表麵，然後用激（jī）光使液膜發生爆炸式蒸發，達（dá）到去汙的目的。液膜物質主要由一些易蒸發的特殊物質組成，它可以起到降低激光能量，提高清洗效率的（de）作用。

（4）透明物質的激光背射清洗法：對於玻璃、單（dān）晶矽等激光透（tòu）明物質而（ér）言，將激光從背麵透過清洗表麵物質，此種激光清洗的機理與前麵相同，但是激光（guāng）清洗的效果往往比前者理（lǐ）想，所需要的能量也更低。

（5）激光+化學去汙組合法：用激光使汙物鬆散後，再用非腐蝕性的化學方法去汙。目前在（zài）工業生產中主要釆用前麵四種（zhǒng）清洗方法，其中激光幹洗法和激光+液膜清洗方法用得最多；第五種方法僅見於藝術品的清洗保護中。

一般而言，激（jī）光清洗技術具（jù）有如下特點：

（1）清除物質和適用的基材範圍廣泛，從大的塊狀汙染物，如（rú）鏽、手印、油汙、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（yòng）此方法進行清（qīng）洗，適用的基材包括碳鋼、不鏽鋼、銅等金屬及合金，單（dān）晶Si片、大理石、木板、紙張、陶瓷、玻璃與高分子材料等。

（2）利用被清洗物質的物理化學性能差別及其（qí）對激光波長（zhǎng）與能量密度的清洗閾值不同，可以實現選擇性清（qīng）洗。即在不損傷被清洗物質本體的前提下（xià），將所希望（wàng）清洗的物質去掉。例如，在清洗古典油畫等文物（wù）時，就可以通過激光器（qì）波長與功率的選擇，隻去掉油畫表麵的汙垢，而不損傷油畫本（běn）身（shēn）的油墨。

（3）激光清洗過程屬非接觸性加（jiā）工，可以進行遠（yuǎn）距離操作，通過調控激光工藝參數，可以在不損傷基材（cái）表麵的基（jī）礎上（shàng），有效去除（chú）表（biǎo）麵汙染物；借助於現代化的手段，可以方便地實現自動化操作。利用光纖將激光引入汙染區，操作人（rén）員隻需遠距離（lí）遙控操作，非常安全方便；通（tōng）過設計相應的機械手，可對不同（tóng）汙染部位進行選擇性的清洗（xǐ）。這對於（yú）一（yī）些特殊的應用場（chǎng）合，如核（hé）反應堆蒸發冷凝管的除鏽等，具有重要意（yì）義。

（4）激（jī）光清洗過程無機械力作用，清洗表麵的（de）清潔度遠遠高於化學清洗工藝，因此在液（yè）晶、微（wēi）電子元器件生產中可以發揮重要的作用。

（5）激光清洗設備可以長期使用，運行成本低。

（6）激光清洗技術是一種“綠色”清洗工藝，消除（chú）的（de）廢料是固體粉末狀，體積小（xiǎo），易於存（cún）放，對環境基本上不造成汙染，等等。

3.激光清洗的應用

激光清洗技術（shù）在近10年來得到了飛速的發展，它（tā）不僅是傳統清洗技術的補充和延伸，而且它（tā）以自身的許多特（tè）點在許多領域中逐步取代傳統清洗（xǐ）工藝，特（tè）別是不產生消耗臭氧層物質（ODS），應用前景十分廣闊。目前，激（jī）光清洗的應用主要集中在以下幾個方（fāng）麵。

（1）激光清洗精密元（yuán）器件的表麵顆粒物

在微電子（zǐ）製造工藝中（zhōng），微電路襯底表麵的清潔度是決定產品質量的關鍵，因為微米級的個別外來微粒（lì）都可能導致電路失效，使元件的成品率下降（jiàng）。基片表麵殘存（cún）的顆粒主要為金屬碎（suì）片、光致抗蝕（shí）劑屑、金屬（shǔ）離子、有機薄膜碎片等，顆粒的直（zhí）徑範（fàn）圍為50nm〜80Pm。研究（jiū）結果表明，采用（yòng）激光清洗技術清除這些微粒物，清洗效果比采用超聲（shēng）波振動清洗的效果更加好。現在，采用激光清洗微小顆（kē）粒，最小尺寸已（yǐ）經達到50nm，可以滿足超大規模集（jí）成電路的要求，該技術（shù）現在已經在工業中得到應用。類似的成果同樣可以應用於製備（bèi）超光滑（huá）的表麵光學元件中。如（rú）鍍有反射膜的（de）光學基片上殘留有微小雜質時（shí），會使光產生散射，並幹擾周圍的入射光和反射光。采用激光輔助清洗技術則可以有效地除去反射鏡表（biǎo）麵（miàn）殘留的極細微汙染雜質，保證光學元件的質量。

（2）激光除鏽

由（yóu）於暴露在大（dà）氣環境（jìng）中，橋梁、電視發射塔、高壓輸電線路的鐵架等高架建築物的表層很容易鏽蝕，影響了建築物的外在美觀，如（rú）果不及時加以處理（lǐ）還很容易失效，造成突發事故。由於此（cǐ）類建築物非常龐大，采用常規清洗方法進行維護非常不便，而采用非（fēi）接觸式的（de）激（jī）光清洗技術對鏽蝕的表麵進行清洗，不僅能使金屬表麵發生氧化的（de）鏽蝕層迅速熔（róng）化蒸發，而（ér）且可以在金（jīn）屬構件表麵形成一層幾微米（mǐ）厚的金屬熔（róng）凝層，它具有致密的組織，良好的耐（nài）腐蝕性，可以防止金屬進一步鏽蝕。圖4-28所示（shì）為鋼（gāng）件表麵鐵鏽層激（jī）光

清洗前後的形貌（mào），可見激光清洗後鏽層不僅全部（bù）去掉，還形成了一層熔凝層。電化學分析測試結果表明，激光清洗後鋼件（jiàn）表向的耐蝕性有一（yī）定程度的提高。現在，還（hái）有人在嚐試釆用激（jī）光除鏽作為熱（rè）噴塗技術的預清洗工藝，或者采用激光清洗鍍鋅層等，都取得了一定的效（xiào）果。

圖4-28鋼件表麵鐵鏽層激光清洗前後的形貌（mào）

圖片（piàn）P211頁

（3）激光去除有機（塗（tú））層

激光清洗技術在（zài）去除有機（jī）塗層如清除模具表麵的橡膠層、除漆和剝（bāo）除導線皮等方麵具有獨到的優勢，有關設備現在已經在工業（yè）中得（dé）到初步應用。采用（yòng）激光清洗輪胎模具表麵的橡膠層，模具（jù）無須從硫化機（jī）上卸（xiè）下從（cóng）而實現在線清洗作業。根據殘餘物的多少和膠料結構的不同，完全清洗好一個模具的時間大大縮（suō）短（duǎn）。激光清洗的另一個優點是隻去掉橡膠（jiāo）層而不損傷模具，避免了常規噴砂清（qīng）洗（xǐ）過程對模具的磨損。該技術已經在國外多家輪胎生產廠中得到應用。

用（yòng）激光除去物體表麵漆層是一種先進的退（tuì）漆工藝，在航空工業中和船舶工業中（zhōng）有很大的應用空間，如清洗飛（fēi）機的機體和大型船隻表麵（miàn）的油（yóu）漆。同傳統的溶劑清除和噴砂法相比，激光除（chú）漆清潔速度快，不會造（zào）成環境（jìng）汙染，能除掉不規則表麵上的漆層。一般多用CO₂激光除漆，或用光纖傳送（sòng）固體激光（guāng）進行（háng）遠程激光除漆。例如，采用脈衝CO₂激光器來燒蝕漆層，可以將0.005mm厚的漆層汽化而基體仍保持冷態，不受（shòu）損傷（shāng）。這種激光（guāng）在數小時（shí）內可以將厚（hòu）度1mm、麵積（jī）36m²的漆層剝離（lí），並有真空係統及過濾（lǜ）器對廢渣進（jìn）行處理，成本低。

在精密電（diàn）子器件的加工中，采用激光來除去（qù）金屬導體上覆蓋的有機（jī）絕（jué）緣材料，如（rú）激光剝除導線皮和去除有機薄膜等很（hěn）有必要。在微電子的（de）製造工藝中，許多組件加工要求精確地從導線的一個或幾個位置除去絕緣層，要去掉的材料通常是聚（jù）酰亞胺、聚四氟乙烯（xī）之類的有機材（cái）料，在導（dǎo）線很細的情況下，用傳統的方法（fǎ）無法（fǎ）完成。激光剝線能完全除去導線周圍的絕緣層，而導（dǎo）線本身和其餘的絕緣層無燒灼、變形或掉色，並且不留下碎片。在微電子工業中，常用（yòng）準分子激光進（jìn）行除去薄膜等選擇性加工。由於清除介質（zhì）材料的能量一（yī）般低於蝕除金屬膜所需（xū）的能量（liàng），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（sǔn）傷金（jīn）屬基底。

（4）激光清洗珍貴文物

由於文物和（hé）藝術品的重要性和特殊地位，使激光清洗技術（shù）在此領域的應用超過在其他領域中的應用，充分地發揮岀了激光清洗技術的獨特優點。目前該技術在文物和藝（yì）術品（pǐn）領域的應用範圍非常（cháng）廣泛，包括清洗古建築表麵、年代久遠（yuǎn）的雕（diāo）塑、珍貴的古錢（qián）幣和繪畫作品等。如意大利和奧地利兩國的專家采用波長為1064nm，脈衝寬度小於10nm，激光光斑（bān）的直徑大（dà）於2.5mm，能量為1200mJ的固體激光器，應用光纖對激光（guāng）進行傳輸（shū），清洗了建於14世紀中葉的（de）意（yì）大（dà）利Albertino聖壇，實現了圖像的（de）遠（yuǎn）程大麵積清洗，成（chéng）功地除去了聖像表麵上覆蓋的幾毫（háo）米厚的碳黑和灰泥硬（yìng）殼層，清洗（xǐ）效率約為1〜1.5m²/d，清洗後（hòu）恢複了圖像的古色（sè）舊貌。

4.我國激光清洗技術（shù）與設備的應用現狀和發展趨勢

綜（zōng）上所述，激光清洗技術在工業產品、文（wén）化產品及建築中有廣泛的應用前景。我國（guó）研究人員從20世紀90年代開（kāi）始，從事（shì）激光清洗工藝研究和（hé）係統設備的開發，在（zài）激光除鏽、激光清洗橡膠輪胎模具和油漆、激光清洗顆（kē）粒物等方麵積累了相當的工作（zuò）經（jīng）驗，在此基礎上（shàng）也開發了部分激光（guāng）清洗（xǐ）設備。但（dàn）是，當前我國激光清洗技術在工業產（chǎn）品和（hé）文化產品中的真正（zhèng）實際應用還沒有起步，除了設備適應性、價格因素外（wài），最主要的原因還在於宣傳（chuán）的力度不夠（gòu），企業對該技術的認識程度有限。

隨著激光清洗技術與設備發展的（de）不斷深入，現有的成熟應用（yòng）技術將會在我國得到（dào）推廣應用，例如我國飛機、艦船維護時表麵油漆、電子行業中單晶矽板表麵顆粒物的去除以及文物保護方麵的清（qīng）洗（xǐ）等。另一方（fāng）麵，現有的（de）激光清洗設備體積和重量偏大（dà），清洗效率偏低、激光清洗質量（liàng）評（píng）估係統的自動化（huà）程度（dù）低以及缺乏激光（guāng）清洗工藝的（de）數據庫（kù）等，仍然是製（zhì）約（yuē）激光清洗技術產業化進程的瓶頸。激光清（qīng）洗（xǐ）係統正向低成本、便攜式、自動化方向發展，這也是決定激光清洗技術能否得以廣泛應用（yòng）的關鍵（jiàn）所在。此外，激光清（qīng）洗設備製造企業還應該與相關的（de）應用（yòng）單（dān）位密切合作，聯合開發滿足特定需（xū）要的新型清洗設備。

紫外線清洗

在石（shí）英、玻璃、陶（táo）瓷及矽片和（hé）帶有氧化膜的金屬等材（cái）料上的有機汙垢物的去除常用到紫外線的清洗作用。下麵介紹紫（zǐ）外線的產生以及它的清洗作用。

1.紫外線和它的作用（yòng）

紫外線是一種波長在可見光與X射線之間的（de）光線，是波長在100~400nm範圍的電磁波（bō）。通常的光學玻璃可透過波長在（zài）350nm以上的紫外線，水晶和石英玻璃能（néng）透過波長更短一些的紫外線（xiàn）。紫外（wài）線具有較高的能量，波長越短的紫外線能量越（yuè）高。一些物質（zhì）的分子吸收紫外線後會處於高能量的激發狀態，有解離（lí）或電（diàn）離的傾向。

（1）紫外線引起有機物的分解（jiě）：紫外線對微生物有很強的殺滅作用，因此在製備超純水時要利用（yòng）紫外線進行殺菌處理。當微生物中的有機物分子中的原子，吸收波長在210〜296nm的紫（zǐ）外線後，會被激發進而引起（qǐ）有（yǒu）機（jī）物分子的分解。研究結果表明，殺（shā）菌力最（zuì）強的紫外線波長在265nm附近。同（tóng）樣道理，紫外線（xiàn）可使有機性汙垢分解去除。

（2）紫外線促進臭氧分子的生成：當空氣中的氧分子吸（xī）收240nm以下波長的紫外（wài）線後會生（shēng）成臭氧分子。在生（shēng）成臭氧的同時（shí）也生（shēng）成有（yǒu）強氧化力的激發（fā）狀態的氧氣（qì）分子。

（公式P213頁）

由於太陽光中含有大量紫外線，在通過地球外層大氣圈時，具有高能量的短波（bō）紫外線（波長240nm以下）與大（dà）氣中的（de）氧（yǎng）氣反應，生成臭氧而被大氣吸收，隻有能量較低的長波（bō）紫外線能透過大氣層，大氣臭氧層的形成（chéng）保護了地球上的生命免受紫外線的傷（shāng）害。因（yīn）此，保護大氣臭氧層這個天然屏障對人（rén）類（lèi）有（yǒu）著非常（cháng）重要的意義。

由於（yú）紫外線既可使組成汙垢（gòu）的有機物分子（zǐ）處於（yú）激發狀態，又能產生臭氧這種具（jù）有強氧（yǎng）化力的物質，所以人們（men）研究出利用紫外線一臭氧協同作用的清洗方法：紫（zǐ）外（wài）線一臭氧並用法（UV—O₃法），它是幹式清洗方法中重要的一種（zhǒng）。

2.紫外線一（yī）臭氧並用清洗法（fǎ）（UV—O₃法）

在這方麵科學家（jiā）們做（zuò）了許多研究。如R.R.Sowell在1974年做（zuò）過一個實驗：把一片（piàn）被巴西棕櫚（lǘ）蠟汙（wū）染過的玻璃用三氯乙烯溶劑清洗，然後（hòu）在實驗過程中不斷用紫外線（xiàn）對玻璃進（jìn）行近距離照射，清洗（xǐ）之前，三氯乙烯在玻璃上的接（jiē）觸角為30°，發現隨著照（zhào）射紫外線時間的延長，接觸角逐漸（jiàn）降低。12h後達到洗淨玻（bō）璃在理論上可以達到的（de）最小接觸角（4°〜5°）。其實驗結果見圖（tú）4-29。

圖4-29紫外線（xiàn）一臭氧（yǎng）並（bìng）用法清洗（xǐ）試（shì）驗

圖片P213頁

又如J.R.Vig等人在1976年利用圖4-30的實驗裝置（zhì）對被皮脂汙染過的石英晶片（piàn）進行（háng）清洗實驗。

圖4-30裝置（zhì）中（zhōng）的光源為低壓汞燈，燈外罩玻璃是用熔融石英玻璃製成的（de）（以保證紫外線完全可以（yǐ）通過）。裝置（zhì）1中，低壓汞燈發（fā）出的光（guāng）90%是波（bō）長為253.7nm的紫外線，還有一定數量的波長為184.9nm的紫外線（xiàn）。裝置2中低壓汞燈（dēng）發射出的184.9nm波（bō）長的紫外線被燈管玻（bō）璃吸收，隻能發射出253.7nm的紫外線，把這（zhè）個低壓汞燈與（yǔ）一個放電產（chǎn）生臭氧的臭氧發生器組合（hé）在一起。在（zài）距離汞燈（dēng）為1cm處的輻照度為1.6W•cm-²。被皮脂汙染過的石英晶片在清洗處理（lǐ）前後都（dōu）用（yòng）測定清潔度的裝置（蒸氣測試）進行測定（dìng），實驗結果見表4-10。

圖4-30紫外線一臭氧並用法（fǎ）實驗裝置

表4-10紫外線一臭氧法實驗（yàn）

表格P214頁（yè）

實驗結果表明，波長253.7nm的紫（zǐ）外線能激發有機物汙垢（gòu）的分子，而波長184.9nm的紫外線能激（jī）發氧氣生成臭氧，並與紫外線發生協同作用，最後使（shǐ）有機物汙垢分子分解成揮發性小分子CO₂、H₂O和N₂等。

隻用（yòng）臭氧和隻用253.7nm波長（zhǎng）的紫外線清洗去汙時，速度都很慢；而用圖4-30裝置1中的253.7nm波長的紫外線與能激發氧氣產生臭氧的184.9nm波（bō）長的紫外線去汙（wū）時，以及用裝置（zhì）2中的（de）253.7nm波長（zhǎng）的紫外（wài）線（xiàn）和臭氧發生器協同作用時（shí），都會使清洗速度大大加快。

根據這些實驗結果（guǒ），人們目（mù）前已開發出有一定功率的實用型紫外線一臭氧並用的清洗裝置。

但使用（yòng）紫（zǐ）外（wài）線一臭氧（yǎng）法清洗還存在一些需要解決的問題。主要有以下幾點：

①汙垢中的無（wú）機成分或處理後的灰分會殘留在物體表麵，因此需要釆用相應的辦法進一步（bù）清除。

②處理時，當（dāng）清（qīng）洗對象（xiàng）表麵與照射光源距離稍遠時，產生的會自動分（fèn）解失（shī）去作用。

③這種處理方法要求紫外線能透過清洗對象表（biǎo）麵，對有立體結構的清洗對象不太適合，隻能清洗平麵結構的物體（tǐ）。

④由於（yú）需防止臭氧（yǎng）擴散對人體造成損害，需（xū）要在密閉（bì）裝置中進行。

⑤由於臭氧（yǎng）是通過氧化反應去除汙垢的，所（suǒ）以容易被（bèi）氧化的（de）表（biǎo）麵不能用這種方法處理。

石英、玻璃、陶瓷、矽晶片以及帶有氧化膜的金屬（shǔ）等（děng）材料的平麵結構物品（pǐn）進（jìn）行超精密清洗處理適合（hé）用這種方法。特別是能（néng）透過紫外線的石英以及半導體（tǐ）矽晶片集成（chéng）線路表麵殘（cán）留的光致抗蝕膜等汙垢，用這種方法處理很合適。