对於清洗技术，我们最先想到的就是在生活中使用各种各样的清洁剂和清洁工具。但是传统的清洗技术无一例外会对清洗对象产生不同程度的磨损和破坏。随著科技的进步和精确程度的极致追求，清洗这个概念早就不再局限在「刷盘子」之类的简单清洗。人们对於清洗对象的范围不断扩展，对於清洗要求的标准也不断提高。脆弱的文物经不起抛光打磨，光滑的金属表面需要极致的养护，微小的装置需要完美的清洁方法，雷射清洗技术应运而生。早在1965年，诺贝尔奖得主萧洛用脉冲雷射照射到一张印有油墨字迹的纸上，纸面的墨色字体快速汽化，而纸本身没有损伤，成功将纸上的油墨字迹「擦除」。从此打开了脉冲雷射清洗技术的大门。 1973年，阿斯姆斯团队最早报道了使用雷射清洗文物的工作；1974年福克斯用Q开关钕玻璃雷射有效去除了树脂玻璃和金属基底上的油漆层；1982年，IBM公司德国制造技术中心的扎普卡等人用聚焦激光照射掉模版，成功地将附著在掩模版上的微粒掩模版上的微粒污染物清洗掉。而后又经过40多年的发展，雷射清洗技术已经有了极大的发展与进步。



雷射清洗的原理及作用机制

雷射清洗是一种利用高能量雷射光束照射物体表面，透过光学、热学效应使杂质、污染物或涂层迅速蒸发或剥离的先进清洗技术。

雷射清洗技术的核心部件是具有大脉冲能量、高平均功率、高峰值功率的脉冲雷射。众所周知，雷射是一种具有高亮度，高一致性和高定向性的光源。而脉冲雷射则是在极短时间内释放出高能量的雷射光束，具有很高的峰值功率和瞬时功率密度。相较於连续雷射，高功率脉冲雷射能够在瞬间产生高温，但由於时间极短，热量来不及传导到周围材料，从而极大的降低了雷射对基底材料的热影响。高功率脉冲雷射还可以透过调整脉冲能量和频率来实现对雷射清洗过程的精确控制。这种可调控性可以根据不同的清洗需求进行定制，确保适应不同材料和应用场景。当雷射光束照射到被清洗的表面时，雷射能量被吸收，并在非常短的时间内对污染物产生强烈的热效应。这种热效应导致污染物或涂层表面温度升高，使其蒸发、分解或剥离。同时，脉冲雷射的高能量密度使得它可以直接穿透某些材料，而不会损害基底表面，清洗过程更有效率。


由於清洗物的成分与结构复杂多样，雷射与之作用的机理种类繁多。所以雷射清洗不仅仅是简单的高能量烧蚀，其中还涉及了分解、电离、降解、熔化、燃烧、气化、振动、飞溅、膨胀、收缩、爆炸、剥离、脱落等物理化学变化过程。因此脉冲雷射清洗的过程是一个复杂的光学、热力学、力学等综合物理化学变化过程。雷射清洗作为非机械接触的表面预处理方法，雷射光束可以按照设定好的的扫描方式作用於样件表面，使得雷射与表面的污物、锈蚀层或涂层进行充分的相互作用。在表面材料吸收雷射的能量后，雷射能量转化为清洗提供所需的热能、化学能和机械能。目前关於脉冲雷射清洗的机理解释主要有雷射烧蚀作用机制及热弹性膨胀剥离机制两种学说。

(1) 雷射烧蚀作用机制

脉冲雷射清洗过程中的热作用烧蚀机制与雷射功率密度密切相关。在烧蚀机制中，由於高功率脉冲雷射能够在极短的时间内释放大量能量，导致高能量密度的雷射光束。这使得雷射光束在短时间内集中在一个小区域，能够迅速加热和蒸发目标表面的污染物或涂层。当雷射的能量足以破坏表层物质的化学键时，化学键发生振动、弯曲、甚至断裂，使得分子分解，表层污染物就会被光分解。当雷射清洗的功率密度大於10^8 W/cm^2时，材料表面的污染层可能在吸收雷射的能量后发生塑性变形产生爆炸性的反弹应力；当雷射清洗的功率密度大於10^9 W/cm^2 时，材料表面的污染层吸收高能量的雷射而产生气化或因光学击穿等离子冲击表面形成等离子冲击表面爆炸物从基体效应爆炸物极体效应。

(2) 热弹性膨胀剥离机制

其包括热弹性振动、蒸气压力、光致压力、相爆炸、冲击波等。当雷射辐照在材料表面时,基底材料和被清洗物均先发生热膨胀。这种热弹性膨胀所产生的脱离应力会率先清除部分表面物质，这就是热振动机制。在振动机制中，雷射的热效应同样会使污染物和基底的温度升高，但由於所使用的雷射能量远低於烧蚀机制中的雷射能量，因此污染物不会被直接烧蚀，而是出现机械断裂、振动破碎等现象。污染物以喷射方式被去除或剥离基材表面。脉冲雷射还可以将污染物或基材表面颗粒周围的空气电离，形成等离子体冲击波，将表面污染物去除。在湿式雷射清洗中，将液膜(水、乙醇或其他液体)预先覆盖在清洗物表面,然后用激光对其进行照射.液膜吸收激光能量致使液态介质发生强力爆炸,爆炸的沸腾液体高速运动,将能量传递给表层待清洗物,借助高瞬态的爆炸性力量去除表面污物以达到清洗目的。

雷射清洗的典型应用

40多年来，雷射清洗作为一种新型高效的环保清洗技术，得到了快速发展，在电子元件清洗和脱漆除銹等领域得到了广泛应用。

(1) 雷射清洗电子元件

半导体产业发展过程中，其矽晶元掩模表面的污染微粒的清洗一直都是一大难题。传统的化学清洗会造成极大的污染，而机械清洗和超音波清洗方法又无法达到所需的清洗效果。随著科技发展，半导体、微电子设备越来越小，需要清洗的微粒尺寸也越来越小，清洗难度越来越大，而雷射清洗技术的出现为这一问题提供了新的解决方案,相关研究与应用得到迅速发展。

由於电子元件表面脆弱以及装置表面常有镀膜，传统的雷射烧蚀清洗有损坏装置的风险。为解决这个问题，科学家们采用了一种新型的高效清洗技术。此技术利用高强度激光，经由汇聚透镜聚焦，诱导空气击穿形成高温高密度的雷射等离子体。由於所产生的等离子体迅速向四周膨胀，压缩周围的空气，形成了强力的等离子体冲击波。在这个过程中，高强度冲击波的力学效应使奈米粒子能够克服与基底表面的附著力，从而将粒子迅速「冲」走，实现了对表面微粒的高效清洗。有别於传统方法，雷射等离子体冲击波是在雷射照射过程中透过击穿空气介质而产生球状等离子体冲击波，只作用在待洗基体表面而不影响基体本身，从而避免了对装置的伤害。令人鼓舞的是，整个清洗过程中无需引入化学试剂的辅助，有效避免了对自然环境的负面危害。对於微电子基片常见的奈米颗粒污染问题，这项清洗技术表现出色，为解决这个难题提供了一种可行的、高效且环保的方法。

(2) 雷射除锈

雷射除锈是雷射清洗技术的重要应用，采用高峰值功率的脉冲雷射照射在锈蚀层上。在这个过程中，雷射能量被吸收，导致锈蚀层的温度急剧上升，引发膨胀、热冲击和相变等变化，最终有效地去除锈蚀层。相对於传统的除锈工艺，雷射除锈具有一系列显著优势。首先，雷射除锈是非机械接触过程，不会对工件表面造成机械损伤，保护了工件的完整性。其设备具备高度整合度，操作灵活，容易实现自动化控制，提高了生产效率和操作的便利性。雷射技术的良好方向性使得除锈过程能够实现精确定位，并适应於处理复杂曲面，提高了清洗的精确度。此外，雷射除锈过程产生的杂讯较低，无粉尘污染，有助於创造更清洁的工作环境。整体而言，雷射除锈技术在除锈过程中展现出高效能、精准和环保等多方面的优势，为工业清洗领域提供了先进的解决方案。这项创新技术不仅改进了传统清洗方法，也为工业生产提供了更永续和环保的选择。

雷射除锈的主要机制之一是透过雷射光束加热材料气化来实现锈蚀层的去除。然而，对於铁基底氧化生成的锈蚀层，由於其表面疏松多孔，厚度在几十微米到几百微米之间，脉冲雷射的气化深度相对有限。因此雷射除锈的去除机制并非单一的气化烧蚀，还涉及其他清洗机制，如等离子体冲击波和相爆炸。这意味著除了透过气化去除锈蚀层外，雷射还会产生强烈的等离子体冲击波，以及相爆炸等效应，进一步协同作用於锈蚀层，确保了更为全面和彻底的清洗效果。


随著雷射清洗技术的不断发展，相信它能为清洗产业带来更多创新和便利。未来，我们可望见证雷射清洗技术在各个领域为生产过程带来更大的效益，同时为环境保护做出更积极的贡献。雷射清洗，成为清洗科技的亮眼之选，引领我们步入清洗领域的崭新时代。



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