光清洗介（jiè）紹（shào）

光是一種電（diàn）磁波，具有各自的波長（zhǎng）和相應的能量。它應用於物體的清洗是近年來發展起來的，但應用麵仍比較窄，設備成本較高（gāo）。目前，應用於（yú）清洗的（de）光有激光（guāng）清洗和紫外線清洗兩種。

激光清洗

激光又稱"萊塞"（LASER），是根據英文"LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation"詞頭縮（suō）寫而成（chéng），其含義是（shì）“受激輻射產生的（de）光放大”。它是20世紀科學技術（shù）的重大發現，已（yǐ）在國民經濟各個領域尤其在光導通（tōng）信領域得到廣泛應用。近年來，激光技術（shù）也涉及到了表麵處理領域，如激光（guāng）表麵改性和激光清洗。激光清洗技術是指采用高能激（jī）光（guāng）束照射工件表（biǎo）麵（miàn），使表麵的汙物、鏽斑或塗層發（fā）生（shēng）瞬間蒸發或剝離，從而達到潔淨化的工藝過程。

1.激（jī）光清洗（xǐ）的原理（lǐ）特性

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

a.單色性強；

b.方向性好；

c.相幹性好，激光的發散角很小，相幹麵積大，所以，空間相幹性好：

d.亮度高，按光度學，空間發光（guāng）體的亮度B的定義為

B=P/ΔΩΔS

式中：P——輻射功率；

ΔΩ——發光束（shù）的立體角；

ΔS——發光體的麵積。

如發光（guāng）功率僅為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光束，聚焦（jiāo）後的激（jī）光可形成10⁴〜10¹⁵W/cm²功率密度（dù）的照射，並在10-¹¹s內，便可將光能轉變為熱能。

激光清洗的原理正是（shì）基於（yú）激光束的高亮度（dù）（高功率）、高方（fāng）向性並能瞬間轉化為（wéi）熱能的特（tè）性（xìng），將工件表麵的汙垢熔化或汽化（huà）而被去除，同時可在不熔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、過程特點和所使用的激光（guāng）器的波長、能量密度和（hé）清洗（xǐ）方式（shì）的不同，激光清洗的機理也有（yǒu）所差別。歸納起來，激光清洗機理有如下幾種：

（1）燃燒汽化機（jī）理：對於油脂、油漆、橡膠等（děng）低燃點、易揮發的待清（qīng）洗物質而言，激光清洗的機理主要是燃燒汽化機理；

（2）熱衝擊與熱震動（dòng）誘導塗層剝落機（jī）理：對於橡膠（jiāo）、油漆甚至鐵鏽等（děng）物質（zhì），由於激光輻照產生的熱衝擊和熱震動，或者汙染物粒子發生熱膨脹，導致（zhì）待清洗物質直接剝落；

（3）激光燒蝕機理：采用高（gāo）峰值功率（lǜ）的激光束（shù）使固體物質瞬間汽化、消融而實現清洗的過程。激光燒蝕機理一般在準分子激光（guāng）、高能量密度的Nd：YAG激光清洗固體汙染物質時發生，如激光除鏽等技術。

（4）激光誘導衝擊波清洗機理：對於激光+液膜（mó）的清洗方法，當激光照射於液膜上時，液膜急劇受熱，產生爆炸性汽化，爆炸性（xìng）衝擊波使基體表麵的汙（wū）物鬆散並隨衝（chōng）擊波飛離加工（gōng）物體的表麵（miàn），達（dá）到去汙的（de）目（mù）的。這種方法也包括粒子熱膨脹、基體表麵和汙物粒子的振動，但（dàn）爆炸性（xìng）衝擊波是（shì）主要的。此種方法所用液（yè）膜一般為水膜，或為少量的甲醇或乙醇與水的混合液體，覆（fù）蓋於工件表麵的厚度約為10µm。

2.激光清洗的方（fāng）法與特點

激光清洗的方法主要有5種：激（jī）光幹洗法、激光+惰性氣體輔助法、激光+液（yè）膜輔助法（fǎ）、透明物質的激（jī）光背射清洗（xǐ）法和激（jī）光+化學方法複合法。

（1）激光幹洗法：即采用脈衝激光直接輻（fú）射去汙。這是使用最為廣泛的激光（guāng）清洗方法（fǎ），它（tā）不（bú）需要清潔液或其他化學溶液，不會導致二次汙染，而且潔淨（jìng）度遠遠高於化學清洗方法。

（2）激（jī）光+惰性（xìng）氣體輔助法：即激光輻射的同時，用（yòng）惰性氣體吹向工件表麵，當汙物從（cóng）表麵剝離後，就被氣體吹離表麵，避免清（qīng）潔表麵再次汙染和氧化（huà）；惰性氣體輔助清（qīng）洗方法可以進一步提高零件的表麵清潔程度。

（3）激光+液膜輔助法：即首先沉積或者塗覆一層液膜於待清洗（xǐ）的基體表麵，然後用激光使液膜發生爆炸式蒸發，達到去汙（wū）的目的。液膜物質主要由一些易蒸發（fā）的特殊物質組成，它可以起到降（jiàng）低激光能量，提高清洗效率的作（zuò）用。

（4）透明物質的激光（guāng）背射清（qīng）洗法：對於玻璃、單晶矽等激光透明物（wù）質而言，將激光從背麵透過清洗表麵物質，此種激光（guāng）清洗的（de）機理與前麵相同，但是激光清洗的效果往往比前者理想（xiǎng），所需要的能（néng）量也更低。

（5）激光+化學去汙（wū）組合法：用激光使汙物鬆散後，再用非腐蝕性的化（huà）學方法去汙。目前在工業生產中主要釆用前麵四種清洗方法，其中激光幹洗（xǐ）法（fǎ）和激（jī）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，激光清洗技術具有如下特點：

（1）清除物質和（hé）適用的基材範圍廣泛，從大的（de）塊狀（zhuàng）汙染物，如鏽、手印、油汙、油（yóu）漆等，到小（xiǎo）的微細顆粒，如（rú）灰塵和金屬超細顆粒等均可（kě）以采用此方法（fǎ）進行清洗，適用的基材包括碳（tàn）鋼、不鏽鋼、銅（tóng）等金屬及合金，單晶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（zhì）的（de）物理化學性能差別及其對（duì）激光波長與能量密度的清洗（xǐ）閾值不同（tóng），可以實現選擇性清洗。即在（zài）不損傷被清洗物質本體（tǐ）的前提下，將所希（xī）望（wàng）清洗的物質去掉。例如，在清洗（xǐ）古典油畫（huà）等文物時，就可以通過激光器波長與功率的選擇，隻去掉油畫表麵的汙垢，而不損傷油畫（huà）本身的油墨。

（3）激光清（qīng）洗過程屬非接觸（chù）性加工，可以進行（háng）遠距離操作（zuò），通過調（diào）控激光工（gōng）藝參數，可以在不損（sǔn）傷基（jī）材表麵的（de）基礎上，有效去除表麵汙染物；借助於現代化（huà）的手（shǒu）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，操作人員隻需遠距離遙控操作，非常安全方便；通過設計（jì）相應的機（jī）械手，可對不（bú）同汙染部位進行選擇性的清洗。這（zhè）對於一（yī）些特殊的應用場合，如核反應堆蒸發冷凝管（guǎn）的除鏽等，具有重要意義。

（4）激（jī）光清洗過程無機械力作用，清洗表麵的清潔度遠遠高於化學（xué）清（qīng）洗工藝，因此在（zài）液晶、微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（xǐ）工藝，消除的廢料是固體粉末狀，體（tǐ）積小，易於存放，對環境基本上不造成汙染（rǎn），等等。

3.激光清洗的應（yīng）用

激光清洗技術（shù）在近（jìn）10年來得（dé）到（dào）了飛（fēi）速的發展，它不僅是傳統清洗技術的補充和（hé）延（yán）伸，而且它以自身的許多特點在許多領域中逐步取代傳統（tǒng）清洗工藝（yì），特別是不產生消耗臭氧層物質（ODS），應用前景十分廣闊。目前，激光清洗的應用主要集中在以下幾個方麵。

（1）激光清洗精密元器件的表麵顆粒物

在（zài）微電子製造工藝中，微電路襯底表麵的清潔度是決定產品質量（liàng）的關鍵，因為微米級的（de）個別外來（lái）微粒都可能導致電路失效，使元件的成品率下降。基片（piàn）表麵殘存的顆粒主要為金（jīn）屬碎片、光（guāng）致抗蝕劑屑、金屬離子、有機薄（báo）膜（mó）碎片等，顆粒的直徑範圍為50nm〜80Pm。研究結果表明（míng），采用激光清洗（xǐ）技術清（qīng）除這些微粒物，清洗效果（guǒ）比采用超聲波振動清洗的效果更（gèng）加好。現在，采用激光清洗微（wēi）小顆粒，最小尺寸已經達到50nm，可以滿（mǎn）足超大規模集成電（diàn）路的要求，該技術現在已經（jīng）在（zài）工業中得到應用（yòng）。類似的成果（guǒ）同樣（yàng）可以應用於製（zhì）備超光滑的表麵光（guāng）學元（yuán）件中。如鍍有（yǒu）反射膜的光學（xué）基片上（shàng）殘留有微小雜質時，會使光產生（shēng）散射，並幹（gàn）擾周圍的入射光和反射光。采用激光（guāng）輔助清洗技術則可（kě）以有效地除去反（fǎn）射鏡表麵殘留的極細微汙染（rǎn）雜質，保證光學元件的（de）質量。

（2）激光除鏽

由於暴露（lù）在大（dà）氣環境中，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（de）外在（zài）美觀，如果不及時加（jiā）以處（chù）理還很容易失效，造（zào）成（chéng）突發事故（gù）。由於此類建築物非常龐大，采用常規清洗（xǐ）方法進行維護非常不便（biàn），而采用非接觸式（shì）的激光清洗技術對鏽蝕的表麵進行清洗，不僅能（néng）使金屬表麵發生（shēng）氧化的鏽蝕層迅（xùn）速熔化蒸發，而且可以在金屬構（gòu）件（jiàn）表麵形成一層幾微米厚的金屬（shǔ）熔凝層，它具有致密的組織，良好的耐腐蝕性，可以防止金屬進一步鏽蝕（shí）。圖4-28所示為鋼件表麵鐵鏽層激光

清洗前後（hòu）的形貌（mào），可見激光清洗後鏽層不僅全部去掉，還形成（chéng）了（le）一層（céng）熔凝層。電（diàn）化學分析測試結果表明，激光清洗後鋼件表向的耐蝕性有一定程度的提高。現在，還有人在嚐試釆用（yòng）激光除（chú）鏽作為熱噴（pēn）塗技術的預清洗（xǐ）工藝，或者采用激光（guāng）清洗鍍鋅層等，都取得了一定的效（xiào）果。

圖4-28鋼件表麵（miàn）鐵鏽層激光清洗前後的形貌

圖片P211頁

（3）激光去除有機（塗）層

激光清洗技術在去除有機塗層如清除模具表麵的橡膠層、除漆和剝除導線皮等方麵具有獨到的（de）優勢，有關設備現在（zài）已經在工業中得到初步應用。采用激光清洗輪胎模具表麵的橡膠層（céng），模具無須從硫化機上卸下從而實現在線清洗（xǐ）作業（yè）。根據殘餘物的多少和膠料（liào）結構（gòu）的不同，完全清洗（xǐ）好一個模具的時間大大縮短。激光清洗的另一個（gè）優點是隻去掉橡膠層而不損傷模具，避免了常規噴砂清洗過程對模具的磨損（sǔn）。該技術已經在國外多家輪胎生產廠中得到應用。

用激光除去物體表麵漆（qī）層是一（yī）種先進的退漆工藝，在航空工業中和船舶工業中有很大的應用空間，如清（qīng）洗（xǐ）飛機的機體和大型船隻表（biǎo）麵的油漆。同傳統的溶劑清除和噴砂（shā）法相比，激光（guāng）除（chú）漆清潔速度快（kuài），不會造成環境汙染，能除掉（diào）不規則表麵上的漆層（céng）。一般多（duō）用CO₂激光除漆，或用光纖傳送固體激光進行遠程激光除漆。例如，采用脈衝CO₂激（jī）光器來燒（shāo）蝕漆層，可（kě）以將0.005mm厚的漆層汽化而基體仍保持（chí）冷態，不受損傷（shāng）。這種激光在數小時內可以將厚度1mm、麵積36m²的漆層剝離，並有真空係統及過濾器對廢渣進行處理，成本低。

在精（jīng）密電子器件的加工中，采用激光來除去金屬導體上覆（fù）蓋的有（yǒu）機絕緣材料，如激光剝除導線皮和去除有機薄膜等很有必要。在微電子的製造工藝中，許多組件加工要求精確地從導線的一個或（huò）幾個位置除去絕緣層，要去掉的材料通常是聚酰亞胺、聚四氟乙（yǐ）烯之類的有機材料（liào），在導線（xiàn）很細的情況下，用傳統的方法無法完成。激光剝線能完全除去導線周圍的絕（jué）緣層，而導（dǎo）線本（běn）身和（hé）其餘的絕緣層無燒灼、變形或掉色，並（bìng）且不留下碎片（piàn）。在微電子工業中，常用準分子激（jī）光進行（háng）除去薄膜等選擇性（xìng）加工。由於清（qīng）除介質材料的能量一般（bān）低於（yú）蝕除金（jīn）屬膜所需的能量，因此準分子激光能夠從金（jīn）屬基底上去掉聚合物膜、粘合劑（jì）或（huò）光刻膠，而不損傷金屬基底（dǐ）。

（4）激光清洗珍貴文（wén）物

由於文物和藝術品的（de）重要性和特殊地位，使激光清洗技術在此領域的應用超過在（zài）其他領域中的應用，充分地發揮岀了激光清（qīng）洗技（jì）術的獨特優（yōu）點。目前該技術在文物和藝（yì）術品（pǐn）領域的應用範圍非常廣泛，包括清洗古建築表麵、年代久遠的雕塑、珍貴的古錢幣和繪畫作品等。如意大利和奧地利兩國（guó）的專家（jiā）采用波長為1064nm，脈衝寬度小於10nm，激光光斑（bān）的直徑大於2.5mm，能量為1200mJ的固體激光器，應用光纖對激光進行傳輸，清洗了建於14世紀中葉的意大利Albertino聖壇，實現了圖像的遠程大麵積清洗，成功地除去了聖（shèng）像表麵上覆蓋的幾毫米厚的碳黑和灰泥（ní）硬殼層，清洗效（xiào）率約為1〜1.5m²/d，清（qīng）洗後恢（huī）複了圖像的古色舊（jiù）貌。

4.我國（guó）激光清洗技術與設備的應（yīng）用（yòng）現狀和發展（zhǎn）趨勢

綜（zōng）上所述，激光清洗（xǐ）技術在工業（yè）產品、文化（huà）產品及建築（zhù）中有廣泛的應用前景。我國研究人員從20世紀90年代開始，從事激光清洗工藝研究（jiū）和係統設備的開發，在激光除鏽、激光清洗橡膠輪胎模具和油漆、激光清洗顆粒物等方麵積累了相當的工作經驗，在此基礎（chǔ）上也開發了部分（fèn）激光清洗設備。但是（shì），當前我國激光清洗技術在工業（yè）產品和文化產品中的真正實際應（yīng）用還（hái）沒有起（qǐ）步，除了設（shè）備適應性、價格因素外，最主要的原因還在於宣（xuān）傳的力度（dù）不夠，企業對（duì）該技術的認識程度有限。

隨著激光清洗技術與設備發展的不斷深入，現有的成熟應（yīng）用技術（shù）將會在我國得到推廣應用，例（lì）如我國飛機、艦船維護時表麵油漆（qī）、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洗等。另一方麵，現有的（de）激光清洗設備體積和重量偏大，清（qīng）洗效率偏低、激光清洗質量（liàng）評估係統的（de）自動（dòng）化程度低以及缺乏激光清洗工藝（yì）的數據庫等，仍然是製約激光清洗技術產業化進程的瓶頸。激光清洗係統正向低（dī）成本、便攜式、自動化方向發展，這也是決定激光清洗（xǐ）技術能否得以廣泛應用的關鍵所在。此外，激光清洗設備製造企業還應該與相關的應用單位（wèi）密切合作，聯合開發滿足特定需要的（de）新型清洗設備。

紫外線清洗

在石英、玻璃、陶瓷及矽片和（hé）帶有氧（yǎng）化膜（mó）的金屬等材料上的（de）有機汙（wū）垢物的去除常用到紫外線的清洗作（zuò）用（yòng）。下麵介紹紫外線的產生以及它的清洗（xǐ）作（zuò）用。

1.紫外（wài）線和它的作用

紫外線（xiàn）是一種波長（zhǎng）在（zài）可見光與X射線之間的光線（xiàn），是波長在100~400nm範圍的電磁波。通（tōng）常的光學玻璃可透過波長在350nm以上（shàng）的紫外（wài）線，水晶和（hé）石英玻璃能透過波長（zhǎng）更短一（yī）些的（de）紫外線。紫外線具有較高的能量，波長越短的（de）紫外線能量越高。一些物質的分子吸收（shōu）紫外線後會處於高能量的激發狀態，有解離或電離的傾向。

（1）紫外線引（yǐn）起有機物的分解：紫外線對（duì）微生物有很強的殺滅作用，因此在製備超（chāo）純（chún）水時要利用紫（zǐ）外線進行殺菌處理。當微生物中的有機物分子中的原子（zǐ），吸收波長在210〜296nm的紫外線後，會被激發進而引（yǐn）起有機物分子的分解（jiě）。研究結果表明，殺菌力最強的紫外線波長在265nm附近。同樣道理，紫外線（xiàn）可使有機性（xìng）汙垢分解去除。

（2）紫外線促進臭氧分子的生成：當空氣中（zhōng）的氧分子吸收240nm以下波長（zhǎng）的紫（zǐ）外線後會生成（chéng）臭氧分子。在生（shēng）成臭氧的同時也生成有強氧化力的激發狀態的氧（yǎng）氣分子。

（公式P213頁）

由於太陽光中含有大量紫外線，在通（tōng）過地球外層大氣圈時，具（jù）有高能量的短波紫外線（波長（zhǎng）240nm以下）與大氣中的氧氣反應，生（shēng）成臭氧而被大氣吸收，隻有能量較低的長波紫外線能透過大（dà）氣層，大氣臭氧層（céng）的形成保護了地球上的生命免受紫外線的傷害。因此，保護大氣臭氧層這個天然屏障對人類有著非常重（chóng）要的（de）意義。

由於紫外線既可使組成汙垢的有（yǒu）機物分子處於（yú）激發狀態，又（yòu）能產生臭氧這種具有強氧化力的物（wù）質，所（suǒ）以人們研究出利用紫外線一臭氧協同作用的清洗方法：紫外線一臭氧並用法（UV—O₃法），它是幹式清洗方法中重（chóng）要的一種。

2.紫（zǐ）外（wài）線一臭氧並（bìng）用清洗法（UV—O₃法（fǎ））

在這方麵科學家們做了許多（duō）研（yán）究。如R.R.Sowell在1974年做過一個實驗：把一片被巴西棕（zōng）櫚蠟汙染過的玻璃用三氯乙烯溶劑清洗，然後在實驗過程（chéng）中不斷（duàn）用紫外線對玻璃進行（háng）近距離照射，清洗之前，三氯乙烯在玻璃上的接觸角為30°，發現隨著照射紫（zǐ）外線時間的延長，接觸（chù）角（jiǎo）逐漸降低。12h後達到洗淨玻璃在理論上可以達到的最小接觸角（4°〜5°）。其實驗結果見圖4-29。

圖4-29紫外線一臭氧並用法清洗試驗

圖片P213頁

又如J.R.Vig等人在1976年利用圖4-30的實（shí）驗裝置對被皮脂汙（wū）染過的石英晶（jīng）片進行清洗實驗。

圖（tú）4-30裝置中的光源為低壓汞燈（dēng），燈外罩玻璃是（shì）用熔（róng）融石英玻璃（lí）製成的（以保證紫外線完全可以通（tōng）過）。裝置1中，低壓汞燈（dēng）發出的光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（zǐ）外線。裝置2中低壓（yā）汞燈發射出的184.9nm波長的紫外線被燈管玻璃吸收，隻能發射出253.7nm的紫外線，把這個（gè）低壓汞（gǒng）燈與一個放電產生臭氧的臭（chòu）氧發生器組合在一起。在距離汞燈為1cm處的輻照度為（wéi）1.6W•cm-²。被皮脂汙染過的石英晶片在清洗處理前（qián）後都用測定清潔度的裝置（蒸氣測試）進行測定，實驗結果見表4-10。

圖4-30紫外（wài）線（xiàn）一臭氧並用法實驗裝置

表4-10紫外線一臭氧法實驗

表格P214頁（yè）

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

隻用臭氧和隻用253.7nm波長（zhǎng）的紫外線清洗去汙時，速度都很慢；而（ér）用（yòng）圖4-30裝置1中的253.7nm波長的（de）紫外線與能激發（fā）氧氣產生臭氧的184.9nm波長的紫外線去汙時（shí），以（yǐ）及（jí）用裝置2中的253.7nm波長的紫外線和臭氧發生器協同作用時，都會使清洗速度大大加快。

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

但（dàn）使（shǐ）用紫外線一臭氧法清洗還存在一些（xiē）需要解決的（de）問（wèn）題。主要（yào）有以下幾點：

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

②處理時，當清洗對象表麵與照（zhào）射光源距離稍遠時，產生的會自動分解失去作用。

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

④由於需防止臭氧擴散對人體造成（chéng）損（sǔn）害，需要在密閉裝置中進行。

⑤由於臭氧是通過氧化反應去除汙垢的，所以容易被氧化的表（biǎo）麵不能用（yòng）這種方（fāng）法處理。

石英、玻璃、陶瓷、矽（guī）晶片以及帶（dài）有氧化膜的金屬等材料的平麵結（jié）構物品進行超（chāo）精密清洗處理適（shì）合用這種方法。特別是能透過（guò）紫外線的（de）石英以及半導體矽晶片集成線路（lù）表麵殘留的光致抗蝕膜（mó）等汙（wū）垢，用這種方法處理很合適。