對於清洗技術，我們最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清潔劑和清潔工具。但是傳統的清洗技術無一例外會對清洗對象產生不同程度的磨損和破壞。隨著科技的進步和精確程度的極致追求，清洗這個概念早就不再侷限在「刷盤子」之類的簡單清洗。人們對於清洗對象的範圍不斷擴展，對於清洗要求的標準也不斷提高。脆弱的文物經不起拋光打磨，光滑的金屬表面需要極致的養護，微小的裝置需要完美的清潔方法，雷射清洗技術應運而生。早在1965年，諾貝爾獎得主蕭洛用脈衝雷射照射到一張印有油墨字蹟的紙上，紙面的墨色字體快速汽化，而紙本身沒有損傷，成功將紙上的油墨字跡「擦除」。從此打開了脈衝雷射清洗技術的大門。 1973年，阿斯姆斯團隊最早報道了使用雷射清洗文物的工作；1974年福克斯用Q開關釹玻璃雷射有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國製造技術中心的紮普卡等人用聚焦激光照射掉模版，成功地將附著在掩模版上的微粒掩模版上的微粒污染物清洗掉。而後又經過40多年的發展，雷射清洗技術已經有了極大的發展與進步。



雷射清洗的原理及作用機制

雷射清洗是一種利用高能量雷射光束照射物體表面，透過光學、熱學效應使雜質、污染物或塗層迅速蒸發或剝離的先進清洗技術。

雷射清洗技術的核心部件是具有大脈衝能量、高平均功率、高峰值功率的脈衝雷射。眾所周知，雷射是一種具有高亮度，高一致性和高定向性的光源。而脈衝雷射則是在極短時間內釋放出高能量的雷射光束，具有很高的峰值功率和瞬時功率密度。相較於連續雷射，高功率脈衝雷射能夠在瞬間產生高溫，但由於時間極短，熱量來不及傳導到周圍材料，從而極大的降低了雷射對基底材料的熱影響。高功率脈衝雷射還可以透過調整脈衝能量和頻率來實現對雷射清洗過程的精確控制。這種可調控性可以根據不同的清洗需求進行定制，確保適應不同材料和應用場景。當雷射光束照射到被清洗的表面時，雷射能量被吸收，並在非常短的時間內對污染物產生強烈的熱效應。這種熱效應導致污染物或塗層表面溫度升高，使其蒸發、分解或剝離。同時，脈衝雷射的高能量密度使得它可以直接穿透某些材料，而不會損害基底表面，清洗過程更有效率。


由於清洗物的成分與結構複雜多樣，雷射與之作用的機理種類繁多。所以雷射清洗不僅僅是簡單的高能量燒蝕，其中還涉及了分解、電離、降解、熔化、燃燒、氣化、振動、飛濺、膨脹、收縮、爆炸、剝離、脫落等物理化學變化過程。因此脈衝雷射清洗的過程是一個複雜的光學、熱力學、力學等綜合物理化學變化過程。雷射清洗作為非機械接觸的表面預處理方法，雷射光束可以按照設定好的的掃描方式作用於樣件表面，使得雷射與表面的污物、鏽蝕層或塗層進行充分的相互作用。在表面材料吸收雷射的能量後，雷射能量轉化為清洗提供所需的熱能、化學能和機械能。目前關於脈衝雷射清洗的機理解釋主要有雷射燒蝕作用機制及熱彈性膨脹剝離機制兩種學說。

(1) 雷射燒蝕作用機制

脈衝雷射清洗過程中的熱作用燒蝕機制與雷射功率密度密切相關。在燒蝕機制中，由於高功率脈衝雷射能夠在極短的時間內釋放大量能量，導致高能量密度的雷射光束。這使得雷射光束在短時間內集中在一個小區域，能夠迅速加熱和蒸發目標表面的污染物或塗層。當雷射的能量足以破壞表層物質的化學鍵時，化學鍵發生振動、彎曲、甚至斷裂，使得分子分解，表層污染物就會被光分解。當雷射清洗的功率密度大於10^8 W/cm^2時，材料表面的污染層可能在吸收雷射的能量後發生塑性變形產生爆炸性的反彈應力；當雷射清洗的功率密度大於10^9 W/cm^2 時，材料表面的污染層吸收高能量的雷射而產生氣化或因光學擊穿等離子衝擊表面形成等離子衝擊表面爆炸物從基體效應爆炸物極體效應。

(2) 熱彈性膨脹剝離機制

其包括熱彈性振動、蒸氣壓力、光致壓力、相爆炸、衝擊波等。當雷射輻照在材料表面時,基底材料和被清洗物均先發生熱膨脹。這種熱彈性膨脹所產生的脫離應力會率先清除部分錶面物質，這就是熱振動機制。在振動機制中，雷射的熱效應同樣會使污染物和基底的溫度升高，但由於所使用的雷射能量遠低於燒蝕機制中的雷射能量，因此污染物不會被直接燒蝕，而是出現機械斷裂、振動破碎等現象。污染物以噴射方式被去除或剝離基材表面。脈衝雷射還可以將污染物或基材表面顆粒周圍的空氣電離，形成等離子體衝擊波，將表面污染物去除。在濕式雷射清洗中，將液膜(水、乙醇或其他液體)預先覆蓋在清洗物表面,然後用激光對其進行照射.液膜吸收激光能量致使液態介質發生強力爆炸,爆炸的沸騰液體高速運動,將能量傳遞給表層待清洗物,借助高瞬態的爆炸性力量去除表面污物以達到清洗目的。

雷射清洗的典型應用

40多年來，雷射清洗作為一種新型高效的環保清洗技術，得到了快速發展，在電子元件清洗和脫漆除銹等領域得到了廣泛應用。

(1) 雷射清洗電子元件

半導體產業發展過程中，其矽晶元掩模表面的污染微粒的清洗一直都是一大難題。傳統的化學清洗會造成極大的污染，而機械清洗和超音波清洗方法又無法達到所需的清洗效果。隨著科技發展，半導體、微電子設備越來越小，需要清洗的微粒尺寸也越來越小，清洗難度越來越大，而雷射清洗技術的出現為這一問題提供了新的解決方案,相關研究與應用得到迅速發展。

由於電子元件表面脆弱以及裝置表面常有鍍膜，傳統的雷射燒蝕清洗有損壞裝置的風險。為解決這個問題，科學家們採用了一種新型的高效清洗技術。此技術利用高強度激光，經由匯聚透鏡聚焦，誘導空氣擊穿形成高溫高密度的雷射等離子體。由於所產生的等離子體迅速向四周膨脹，壓縮周圍的空氣，形成了強力的等離子體衝擊波。在這個過程中，高強度衝擊波的力學效應使奈米粒子能夠克服與基底表面的附著力，從而將粒子迅速「沖」走，實現了對錶面微粒的高效清洗。有別於傳統方法，雷射等離子體衝擊波是在雷射照射過程中透過擊穿空氣介質而產生球狀等離子體衝擊波，只作用在待洗基體表面而不影響基體本身，從而避免了對裝置的傷害。令人鼓舞的是，整個清洗過程中無需引入化學試劑的輔助，有效避免了對自然環境的負面危害。對於微電子基片常見的奈米顆粒污染問題，這項清洗技術表現出色，為解決這個難題提供了一種可行的、高效且環保的方法。

(2) 雷射除鏽

雷射除鏽是雷射清洗技術的重要應用，採用高峰值功率的脈衝雷射照射在鏽蝕層上。在這個過程中，雷射能量被吸收，導致鏽蝕層的溫度急劇上升，引發膨脹、熱衝擊和相變等變化，最終有效地去除鏽蝕層。相對於傳統的除鏽工藝，雷射除鏽具有一系列顯著優勢。首先，雷射除鏽是非機械接觸過程，不會對工件表面造成機械損傷，保護了工件的完整性。其設備具備高度整合度，操作靈活，容易實現自動化控制，提高了生產效率和操作的便利性。雷射技術的良好方向性使得除鏽過程能夠實現精確定位，並適應於處理複雜曲面，提高了清洗的精確度。此外，雷射除鏽過程產生的雜訊較低，無粉塵污染，有助於創造更清潔的工作環境。整體而言，雷射除鏽技術在除鏽過程中展現出高效能、精準和環保等多方面的優勢，為工業清洗領域提供了先進的解決方案。這項創新技術不僅改進了傳統清洗方法，也為工業生產提供了更永續和環保的選擇。

雷射除鏽的主要機制之一是透過雷射光束加熱材料氣化來實現鏽蝕層的去除。然而，對於鐵基底氧化生成的鏽蝕層，由於其表面疏鬆多孔，厚度在幾十微米到幾百微米之間，脈衝雷射的氣化深度相對有限。因此雷射除鏽的去除機制並非單一的氣化燒蝕，還涉及其他清洗機制，如等離子體衝擊波和相爆炸。這意味著除了透過氣化去除鏽蝕層外，雷射還會產生強烈的等離子體衝擊波，以及相爆炸等效應，進一步協同作用於鏽蝕層，確保了更為全面和徹底的清洗效果。


隨著雷射清洗技術的不斷發展，相信它能為清洗產業帶來更多創新和便利。未來，我們可望見證雷射清洗技術在各個領域為生產過程帶來更大的效益，同時為環境保護做出更積極的貢獻。雷射清洗，成為清洗科技的亮眼之選，引領我們步入清洗領域的嶄新時代。



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