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激光清洗的原理和方法

2016/7/22

激光的特點是具有高方向性,單色性,高相干性和高亮度。通過透鏡的聚焦和Q開關,可以把能量集中到一個很小的空間范圍和時間范圍內。在激光清洗處理中,主要利用了激光的以下特性:

1、激光可以實現能量在時間和空間上的高度集中,聚焦的激光束在焦點附近可產生幾千度甚至幾萬度的高溫,使污垢瞬間蒸發、氣化或分解。
2、激光束的發散角小,方向性好,通過聚光系統可以使激光束聚集成不同直徑的光斑。在激光能量相同的條件下,控制不同直徑的激光束光斑可以調整激光的能量密度,使污垢受熱膨脹。當污垢的膨脹力大于污垢對基體的吸附力時,污垢便會脫離物體的表面。
3、激光光束可以通過在固體表面產生超聲波,產生力學共振,使污垢破碎脫落。激光清洗技術正是利用了上述激光的特性從而達到清洗的目的。根據被清洗基體物質與被清除污垢的光學特性,可以將激光清洗機理分為兩大類:一類是利用清洗基片(也稱為母體)與表面附著物(污物)對某一波長激光能量的吸收系數具有很大的差別。輻射到表面的激光能量大部分被表面附著物所吸收,從而受熱或氣化蒸發,或瞬間膨脹,并被形成的氣流帶動,脫離物體表面,達到清洗目的。而基片由于對該波長的激光吸收能量極小,不會受到損傷。對此類激光清洗,選擇合適的波長和控制好激光能量大小,是實現安全高效清洗的關鍵。另一類適用于清潔基片與表面附著物的激光能量吸收系數差別不大,或基片對涂層受熱形成的酸性蒸氣較為敏感,或涂層受熱后會產生有毒物質等情況的清洗方法。該類方法通常是利用高功率高重復率的脈沖激光沖擊被清洗的表面,使部分光束轉換成聲波。聲波擊中下層硬表面后,返回的部分與激光產生的入射聲波發生干涉,產生高能波,使涂層發生小范圍的爆炸,涂層被壓成粉末,再被真空泵清除,而底下的基片卻不會損傷。




從方法上分析,激光清洗方法有4種:

1、激光干洗法,即采用脈沖激光直接輻射去污;
2、激光+液膜方法,即首先沉積一層液膜于基體表面,然后用激光輻射去污;當激光照射于液膜上時,液膜急劇受熱,產生爆炸性汽化,爆炸性沖擊波使基體表面的污物松散。并隨沖擊波飛離加工物體表面,達到去污的目的。
3、激光+惰性氣體的方法,即在激光輻射的同時,用惰性氣體吹向基體表面,當污物從表面剝離后會立即被氣體吹離表面,以避免表面再次污染和氧化;
4、運用激光使污垢松散后,再用非腐蝕性化學方法清洗。目前,常用的是前3種方法。第4種方法僅應用于石質文物的清洗中,而一個完整的激光清洗系統包括:激光器或YAG激光器)、試樣加工臺、導光系統、控制臺、輔助系統(如量熱計、光束輪廓儀及其附件)。對于激光+液膜的清洗方法,還有液膜沉積系統。當采用激光+惰性氣體的清洗方法時,還應該包括惰性氣體的進入和排除系統。

激光清洗技術比傳統的清洗技術有很大的優勢,在經濟效益和“綠色”工程方面都能給社會帶來很大的好處,市場前景相當廣闊。而我國現在在這方面的研究還是不夠的,如果能夠利用我們現有的激光技術,開發配套的激光清洗設備,并使之投入生產,實現產業化,是完全可能的。隨著激光器成本的下降,必將使得激光清洗技術逐漸得以普及,這對推動高新技術產業發展的本身也是有重要意義的。