激光清洗：表面凈化的黑科技

對于清洗技術(shù)，我們最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清洗劑和清潔工具。但是傳統(tǒng)的清洗技術(shù)無一例外會對清洗對象產(chǎn)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，清洗這一概念早就不再局限在“刷盤子”之類的簡單清洗。人們對于清洗對象的范圍不斷擴展，對于清洗要求的標準也在不斷提高。脆弱的文物經(jīng)不起拋光打磨，光滑的金屬表面需要極致的養(yǎng)護，微小的器件需要完美的清潔方法，激光清洗技術(shù)應(yīng)運而生。

早在1965年，諾貝爾獎獲得者肖洛用脈沖激光照射到一張印有油墨字跡的紙上，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”。從此打開了脈沖激光清洗技術(shù)的大門。1973年，阿斯姆斯團隊最早報道了使用激光清洗文物的工作；1974年福克斯用Q開關(guān)釹玻璃激光有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國制造技術(shù)中心的扎普卡等人用聚焦激光照射掩模版，成功地將附著在掩模版上的微粒污染物清洗掉。而后又經(jīng)過40多年的發(fā)展，激光清洗技術(shù)已經(jīng)取得了極大的發(fā)展與進步。

激光清洗：表面凈化的黑科技

對于清洗技術(shù)，我們最先想到的就是在生活中使用各種各樣的清洗劑和清潔工具。但是傳統(tǒng)的清洗技術(shù)無一例外會對清洗對象產(chǎn)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，清洗這一概念早就不再局限在“刷盤子”之類的簡單清洗。人們對于清洗對象的范圍不斷擴展，對于清洗要求的標準也在不斷提高。脆弱的文物經(jīng)不起拋光打磨，光滑的金屬表面需要極致的養(yǎng)護，微小的器件需要完美的清潔方法，激光清洗技術(shù)應(yīng)運而生。

早在1965年，諾貝爾獎獲得者肖洛用脈沖激光照射到一張印有油墨字跡的紙上，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”。從此打開了脈沖激光清洗技術(shù)的大門。1973年，阿斯姆斯團隊最早報道了使用激光清洗文物的工作；1974年?？怂褂肣開關(guān)釹玻璃激光有效去除了樹脂玻璃和金屬基底上的油漆層；1982年，IBM公司德國制造技術(shù)中心的扎普卡等人用聚焦激光照射掩模版，成功地將附著在掩模版上的微粒污染物清洗掉。而后又經(jīng)過40多年的發(fā)展，激光清洗技術(shù)已經(jīng)取得了極大的發(fā)展與進步。

(圖源自維基百科)

激光清洗的原理及作用機制

激光清洗是一種利用高能激光束照射物體表面，通過光學(xué)、熱學(xué)效應(yīng)使雜質(zhì)、污染物或者涂層迅速蒸發(fā)或剝離的先進清洗技術(shù)。

圖(1) 激光清洗原理圖

激光清洗技術(shù)的核心部件是具有大脈沖能量、高平均功率、高峰值功率的脈沖激光器。眾所周知，激光是一種具有高亮度，高一致性和高定向性的光源。而脈沖激光則是在極短時間內(nèi)釋放出高能量的激光束，具有很高的峰值功率和瞬時功率密度。相比于連續(xù)激光，高功率脈沖激光能夠在瞬間產(chǎn)生高溫，但由于時間極短，熱量來不及傳導(dǎo)到周圍材料，從而極大的降低了激光對基底材料的熱影響。高功率脈沖激光器還可以通過調(diào)整脈沖能量和頻率來實現(xiàn)對激光清洗過程的精確控制。這種可調(diào)控性可以根據(jù)不同的清洗需求進行定制，確保適應(yīng)不同材料和應(yīng)用場景。當激光束照射到被清洗的表面時，激光能量被吸收，并在非常短的時間內(nèi)對污染物產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)。這種熱效應(yīng)導(dǎo)致污染物或涂層表面溫度升高，使其蒸發(fā)、分解或剝離。同時，脈沖激光的高能量密度使得它可以直接穿透某些材料，而不損害基底表面，清洗過程更為高效。

圖(2) 連續(xù)激光與脈沖激光(圖源自網(wǎng)絡(luò))

由于清洗物的成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，激光與之作用的機理種類繁多。所以激光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(xué)變化過程。因此脈沖激光清洗的過程是一個復(fù)雜的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等綜合物理化學(xué)變化過程。激光清洗作為非機械接觸的表面預(yù)處理方法，激光束可以按照設(shè)定好的的掃描方式作用于樣件表面，使得激光與表面的污物、銹蝕層或者涂層進行充分的相互作用。在表面材料吸收激光的能量后，激光能量轉(zhuǎn)化為清洗提供所需的熱能、化學(xué)能和機械能。目前關(guān)于脈沖激光清洗的機理解釋主要有激光燒蝕作用機制和熱彈性膨脹剝離機制兩種學(xué)說。

(1) 激光燒蝕作用機制

脈沖激光清洗過程中的熱作用燒蝕機制與激光功率密度密切相關(guān)。在燒蝕機制中，由于高功率脈沖激光器能夠在極短的時間內(nèi)釋放大量能量，導(dǎo)致高能量密度的激光束。這使得激光束在短時間內(nèi)集中在一個小區(qū)域，能夠迅速加熱和蒸發(fā)目標表面的污染物或涂層。當激光的能量足夠破壞表層物質(zhì)的化學(xué)鍵時，化學(xué)鍵發(fā)生振動、彎曲、甚至斷裂，使得分子發(fā)生分解，表層污染物就被光分解。當激光清洗的功率密度大于10^8 W/cm^2時，材料表面的污染層可能在吸收激光的能量后發(fā)生塑性變形產(chǎn)生爆炸性的反彈應(yīng)力；當激光清洗的功率密度大于 10^9 W/cm^2 時，材料表面的污染層吸收高能量的激光而產(chǎn)生氣化或者因光學(xué)擊穿產(chǎn)生等離子體形成等離子體爆炸沖擊波，這些爆炸效應(yīng)力都會加速污染物從基材表面分離。

圖(3) 激光燒蝕作用機制示意圖(圖源自：宋峰,陳銘軍,陳晅等.激光清洗研究綜述(特邀)[J].紅外與激光工程,2023,52(02):28-49.)

(2) 熱彈性膨脹剝離機制

其包括熱彈性振動、蒸汽壓力、光致壓力、相爆炸、沖擊波等。當激光輻照在材料表面時,基底材料和被清洗物均先發(fā)生熱膨脹。這種熱彈性膨脹產(chǎn)生的脫離應(yīng)力會率先清除掉部分表面物質(zhì)，這就是熱振動機制。在振動機制中，激光的熱效應(yīng)同樣會使污染物和基底的溫度升高，但由于所使用的激光能量要遠遠低于燒蝕機制中的激光能量，因此污染物不會被直接燒蝕，而是出現(xiàn)機械斷裂、振動破碎等現(xiàn)象。污染物以噴射方式被去除或被剝離基材表面。脈沖激光還可以將污染物或者基底材料表面顆粒周圍的空氣電離，形成等離子體沖擊波，將表面污染物去除。在濕式激光清洗中，將液膜(水、乙醇或其他液體)預(yù)先覆蓋在清洗物表面,然后用激光對其進行照射.液膜吸收激光能量致使液態(tài)介質(zhì)發(fā)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(tài)的爆炸性力量去除表面污物以達到清洗目的。

圖(4) 熱彈性膨脹剝離機制示意圖(圖源自：宋峰,陳銘軍,陳晅等.激光清洗研究綜述(特邀)[J].紅外與激光工程,2023,52(02):28-49.)

激光清洗的典型應(yīng)用

40多年來，激光清洗作為一種新型高效的環(huán)保清洗技術(shù)，得到了飛速發(fā)展，在電子元器件清洗和脫漆除銹等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

(1) 激光清洗電子元器件

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展過程中，其硅晶元掩模表面的污染微粒的清洗一直都是一大難題。傳統(tǒng)的化學(xué)清洗會造成極大的污染，而機械清洗和超聲清洗方法又無法達到所需的清洗效果。隨著科技發(fā)展，半導(dǎo)體、微電子設(shè)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，而激光清洗技術(shù)的出現(xiàn)為這一問題提供了新的解決方案,相關(guān)研究與應(yīng)用得到迅速發(fā)展。

由于電子元件表面脆弱以及器件表面常有鍍膜，傳統(tǒng)的激光燒蝕清洗存在損壞器件的風(fēng)險。為解決這一問題，科學(xué)家們采用了一種新型的高效清洗技術(shù)。該技術(shù)利用高強度激光，經(jīng)由匯聚透鏡聚焦，誘導(dǎo)空氣擊穿形成高溫高密度的激光等離子體。由于所產(chǎn)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沖擊波。在這個過程中，高強度沖擊波的力學(xué)效應(yīng)使納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(xiàn)了對表面微粒的高效清洗。不同于傳統(tǒng)方法，激光等離子體沖擊波是在激光照射過程中通過擊穿空氣介質(zhì)而產(chǎn)生球狀等離子體沖擊波，只作用在待洗基體表面而不影響基體本身，從而避免了對器件的傷害。令人鼓舞的是，整個清洗過程中無需引入化學(xué)試劑的輔助，有效避免了對自然環(huán)境的負面危害。對于微電子基片常見的納米顆粒污染問題，這一清洗技術(shù)表現(xiàn)出色，為解決這一難題提供了一種可行的、高效而環(huán)保的方法。

圖(5) 激光等離子體沖擊波清洗微粒原理圖

(2) 激光除銹

激光除銹是激光清洗技術(shù)的一項重要應(yīng)用，采用高峰值功率的脈沖激光照射在銹蝕層上。在這個過程中，激光能量被吸收，導(dǎo)致銹蝕層的溫度急劇上升，引發(fā)膨脹、熱沖擊和相變等變化，最終有效地去除銹蝕層。相對于傳統(tǒng)的除銹工藝，激光除銹具有一系列顯著優(yōu)勢。首先，激光除銹是非機械接觸過程，不會對工件表面造成機械損傷，從而保護了工件的完整性。其設(shè)備具備高度集成度，操作靈活，容易實現(xiàn)自動化控制，提高了生產(chǎn)效率和操作的便捷性。激光技術(shù)的良好方向性使得除銹過程能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，適應(yīng)于處理復(fù)雜曲面，提高了清洗的精準度。此外，激光除銹過程產(chǎn)生的噪聲較低，無粉塵污染，有助于創(chuàng)造更清潔的工作環(huán)境。總體而言，激光除銹技術(shù)在除銹過程中展現(xiàn)出高效、精準和環(huán)保等多方面的優(yōu)勢，為工業(yè)清洗領(lǐng)域提供了先進的解決方案。這項創(chuàng)新技術(shù)不僅改進了傳統(tǒng)清洗方法，還為工業(yè)生產(chǎn)提供了更加可持續(xù)和環(huán)保的選擇。

激光除銹的主要機制之一是通過激光束加熱材料發(fā)生氣化來實現(xiàn)銹蝕層的去除。然而，對于鐵基底氧化生成的銹蝕層，由于其表面疏松多孔，厚度在幾十微米到幾百微米之間，脈沖激光的氣化深度相對較有限。因此激光除銹的去除機制并非單一的氣化燒蝕，還涉及到其他清洗機制，如等離子體沖擊波和相爆炸。這意味著除了通過氣化去除銹蝕層外，激光還會產(chǎn)生強烈的等離子體沖擊波，以及相爆炸等效應(yīng)，進一步協(xié)同作用于銹蝕層，確保了更為全面和徹底的清洗效果。

圖(6)激光除銹效果前后對比圖(圖來自：陸思遠.激光清洗銹蝕鋼板的技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué),2017.)

隨著激光清洗技術(shù)的不斷發(fā)展，相信它能夠為清洗行業(yè)帶來更多創(chuàng)新和便捷。未來，我們有望見證激光清洗技術(shù)在各個領(lǐng)域為生產(chǎn)過程帶來更大的效益，同時為環(huán)境保護做出更為積極的貢獻。激光清洗，成為清洗科技的亮眼之選，引領(lǐng)我們步入清洗領(lǐng)域的嶄新時代。（參考文獻略）