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激光具有優(yōu)秀的方向性、單色性、相干性和高亮度，可與其他物質發(fā)生相互作用，因此也被稱為“最快的刀”、“最準的尺”和“最亮的光”。自第一臺紅寶石激光器成功問世以來，激光技術被認為是20世紀繼量子物理學、無線電物理學、原子能技術、半導體技術、電子計算機技術之后的又一重大科學技術新成就。經過半個多世紀的發(fā)展，激光技術與多個學科相結合，形成新的技術應用領域，如光電技術、激光醫(yī)療與光子生物學、激光加工技術、激光檢測與計量技術等，這些交叉技術與新的學科的出現(xiàn)，極大地推動了相關產業(yè)的發(fā)展。

圖1 激光示意圖

揭秘激光清洗的誕生與超凡優(yōu)勢

激光清洗技術最早的研究可追溯到20世紀60年代。1965年，諾貝爾獎獲得者Schawlow用脈沖激光照射油墨印刷的紙張，紙面的墨色字體快速汽化，而紙面本身沒有損傷。他第一次提出了“l(fā)aser eraser”，如圖所示。1969年，Bedair等人用調Q激光清除鎳表面的氧和硫污染，提出了激光清洗這一概念。1973年，Asmus團隊最早報道了激光文物清洗，他們對多種文物進行了激光清洗，包括達芬奇雕像、壁畫等。1974年Fox用Q開關釹玻璃激光有效去除樹脂和金屬基底上的油漆層。20世紀80年代，新技術電子束投影刻蝕在制備掩模版時，掩模版表面不可避免會沾上微粒污染物，導致出現(xiàn)次品，但傳統(tǒng)的超聲波清洗、機械清洗、化學清洗等技術無法清除微粒污染物。1982年，Zapka等人用聚焦激光照射掩模版，成功將附著污染物清洗掉，而掩模圖案沒有受到絲毫損傷。由此可見，激光清洗技術的發(fā)明主要是為了清洗半導體表面的微小顆粒，其發(fā)展與半導體技術的進步相互促進，同時，該技術也在其他領域不斷進行著應用探索。

圖2 激光擦以及激光清洗示意圖

相比于傳統(tǒng)工業(yè)清洗技術，激光清洗技術具有以下諸多優(yōu)勢：（1）綠色環(huán)保：激光清洗過程中消除的廢料是固體粉末狀的體積小，易于存放，基本上不污染環(huán)境。此外，清洗過程中不需要清潔液或其他化學溶液，且清潔度遠遠高于化學清洗工藝。（2）相比于傳統(tǒng)機械接觸清洗方法，激光與待洗物沒有物理接觸，清洗造成的基體損傷小。（3）清洗效率高。（4）激光清洗可實現(xiàn)自動化操作，設備運行成本低，配合機械臂可以實現(xiàn)遠程、柔性、精準清洗。（5）清除污染物的范圍和適用的基材十分廣泛。

圖3 激光清洗示意圖

光助力，污垢無處藏

激光清洗技術的基本工作原理是利用激光作用在待清洗物表面，使得待清洗物表面的污染物瞬間受熱汽化或剝離，從而實現(xiàn)材料表面清洗。根據(jù)激光與待清洗物表面的關系，激光清洗技術的工作類型可分為直接接觸和間接接觸。

根據(jù)不同的作用機理，直接接觸可分為三種：（1）脈沖激光直接照射物體表面，利用激光高能量特性實現(xiàn)去污，基體和污染物因吸收激光能量而溫度升高，表面污染物對激光的吸收率明顯高于基體對激光的吸收率，在激光作用的中心區(qū)域，污染物因汽化、燒蝕、光化學、熱分解等作用而被去除，在激光作用的邊緣區(qū)域，污染物因熱應力、熱沖擊和物理斷裂而去除。（2）在待清洗物表面預先覆蓋一層液膜，激光直接照射，液膜吸收激光能量而急劇升溫，產生強大的沖擊力，將基體表面污染物去除。（3）短脈沖激光照射基體表面，由于不同材料熱膨脹系數(shù)不同，因此在短脈沖激光照射下，表面污染物和基體會發(fā)生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產生振蕩作用，使污染物從基底表面脫落。

間接接觸的激光清洗方式不與待清洗表面直接接觸，激光以平行于表面的方向發(fā)射，經透鏡聚焦后，高能量使得氣體被擊穿，形成激光等離子體，等離子體在迅速膨脹的過程中與污染物接觸，產生的沖擊力使污染物從表面脫離。該方法清洗對象為亞微米級或納米級微粒，且對工藝要求非常嚴格，既要保證能電離空氣，又要使激光與基體表面之間保持合適的距離，以確保作用在微粒上的沖擊力足夠大。

圖4 激光清洗技術原理圖

目前，激光清洗技術在微電子、軌道交通、航空、船舶、汽車等眾多制造領域都有應用，典型應用主要包括除微粒污染物、除銹、除漆、除油污、除氧化膜等，并呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，在文物清洗和保護領域也獲得了有效嘗試和成功應用。

（1）激光除銹：金屬物體長期暴露在潮濕的空氣中容易產生銹蝕層。銹蝕層的存在不僅影響使用性能，加速腐蝕，而且對使用安全性和壽命產生嚴重的影響。傳統(tǒng)除銹的方法有噴丸和化學清洗法，這兩種方法效率較高、技術成熟，但是會對環(huán)境造成污染，且有害操作者健康，因此激光清洗法得到廣泛關注，其綠色環(huán)保、高效率、高精度、成本低，可以代替常規(guī)清洗方法，已在工業(yè)中逐步有了應用。

圖5 激光除銹應用

（2）激光脫漆：船舶、飛機、橋梁等大型設備都需要定期重新涂裝，重新涂裝前，需要先去除老化破損的油漆，這個過程稱為除漆。在除漆的過程中，既要將老化的油漆去除干凈，又不能損傷基底，而傳統(tǒng)的除漆方法普遍存在效率低、耗能高、漆層去除厚度精度不足、表面均勻性差等缺點，不能滿足漆層的可控清除要求。相較于傳統(tǒng)除漆技術，激光清洗技術綠色安全環(huán)保，對基底損傷小，效率高，且激光定位準確，適用于飛機船舶等復雜形狀的結構件。

圖6 激光脫漆應用

（3）激光清洗電子元器件：電子元器件上的微小污染物會降低電子效率，引起電子線路板損壞。隨著科技發(fā)展，半導體、微電子設備越來越小，需要清洗的微粒也越來越小，清洗難度增大，傳統(tǒng)的水洗和超聲波清洗無法達到如此高精度的清洗效果，于是激光清洗帶來新的希望，成為最佳清洗方法。激光在電子元器件清洗中的應用很多，比如電子線路板、硅片、集成電路、軟性電路、光電器件等。這些器件隨著科技的發(fā)展，集成度提高，針腳越來越多，孔越來越小，傳統(tǒng)的清洗方法難以奏效，激光清洗因為高精準性、易于自動化作業(yè)、參數(shù)可調、清洗效率高等優(yōu)點，能有效去除電子元器件表面的灰塵、油脂、氧化物等微粒，有效提高電子元器件的耐久性。聚酰亞胺薄膜是電子元器件中重要的材料，它是高速度、高密度電子元件多層封裝薄膜內部鏈接結構的介電材料，但它上面經常會覆蓋一些微粒污染物，包括鈦粒子、鉻粒子、鎢粒子、鎳粒子等，需要清洗這些污染物，以確保聚酰亞胺薄膜正常工作。

圖7 激光清洗電子元器件

（4）激光清洗文物：文物表面往往覆蓋著土壤污染物、腐蝕產物、灰塵、有機污漬和結殼，這些污染物會改變文物的化學性質，且會影響外觀，因此需要對受到污染的文物進行清洗。由于文物的珍貴性和不可再生性，對清洗技術的要求很高。傳統(tǒng)的文物清洗方法主要有化學法、機械法，均會對文物本體造成一定程度的損傷。因此，文物激光清洗技術具有對象可選擇性、環(huán)境友好、非接觸性、可控性強等獨特優(yōu)勢，逐漸成為文物清洗、修復與保護的重要手段之一。

圖8 激光清洗文物

（5）其他方面：以往在醫(yī)療領域中，人們經常使用化學藥劑來清洗患者的紋身，但是，這種方法不僅不能徹底清除掉皮膚上的色素，而且會損害皮膚的健康，甚至還會留下疤痕或產生炎癥。但采用激光清洗技術對患者的紋身進行清洗時，激光只會對皮膚表面產生輕微的燒灼作用，并不會對患者的皮膚造成嚴重傷害，皮膚內部的色素微粒將被激光傳送的能量粉碎，然后通過細胞自身的代謝過程可被完全分解，如圖所示。激光清洗的范圍還在不斷擴大，目前已用于海面泄露石油、發(fā)動機積碳、城市涂鴉、牙齒、生物戰(zhàn)劑、毒劑等。

圖9 激光清洗技術其他應用

穿越光線的“眼睛”監(jiān)測激光清洗

進入21世紀，激光清洗研究得到了蓬勃發(fā)展，從最初的清洗是否有效、與傳統(tǒng)清洗技術 (機械清洗、化學清洗) 的比較，到激光參數(shù) (波長、能量、脈沖數(shù)、入射角度等) 對清洗效果的影響、采用多種檢測方法（橢偏儀、俄歇電子能譜、光譜等）評判清洗效果和清洗機理的成因分析，科學家們都做了大量的研究，并得到了有用的結論。由以上介紹可知，激光清洗的效果已經得到認可，在微電子領域、文物保護領域中的研究相對較多，同時，嘗試了多種清洗對象，基底材料有金屬、光學玻璃、復合材料等，污染物有顆粒、油漆、氧化層等。所采用的激光器除了準分子、CO2、Nd:YAG 激光器外，光纖激光器的使用也增多了。

激光清洗前后和清洗過程中，可以通過各種監(jiān)控手段判斷清洗效果和清洗進程。文物的激光清洗監(jiān)控開展得最早，此后其他清洗也逐步引入。監(jiān)測激光清洗效果和效率的常用監(jiān)測技術有成像技術、光譜技術等。成像技術可以通過直接觀測、照相、光學顯微鏡、電子顯微鏡等。光譜技術通過分析吸收光譜、反射光譜、傅里葉紅外光譜、激光誘導等離子譜等，可以得到清洗對象在清洗前后的成分以及清洗過程中的成分變化。也可以通過測量物體表面信息，知道清洗效果，例如電磁順磁共振技術、硬度計、粒度計等。監(jiān)控包括監(jiān)測和控制。監(jiān)測的目的是確定清洗進程和判斷清洗效果，而控制則是根據(jù)監(jiān)測結果控制清洗參數(shù)和清洗過程，保證良好的清洗效果。檢測可以分為離線監(jiān)測和在線監(jiān)測。前者是在清洗結束后對樣品進行檢測，后者結合控制系統(tǒng)，在清洗過程中進行監(jiān)測，通過檢測相關參數(shù)，判斷清洗效果。在線檢測需要根據(jù)在線測量結果進行數(shù)據(jù)處理、分析和判斷，進而控制激光清洗過程，相比于離線監(jiān)測，在線監(jiān)測要求更高，難度更大。未來，基于在線檢測系統(tǒng)的智能控制將會是主流研究方向。

總結與展望

隨著人們對綠色環(huán)保、高精度和高效率清洗要求的提高，激光清洗技術的研發(fā)應用也得到了越來越廣泛的關注。目前，激光清洗技術已在微電子、軌道交通、航空、文物修復等領域獲得了應用，但要進一步提高其應用的場景、規(guī)模和效果，則仍面臨了許多挑戰(zhàn)，包括：（1）激光清洗作用機理還需完善，亟需建立完善的激光清洗理論模型，增強激光清洗的模擬效果；（2）實時監(jiān)測評估智能化系統(tǒng)有待加強。當前激光清洗設備功能較為單一，智能化程度不足，可以進一步將激光系統(tǒng)與識別定位、在線監(jiān)測及機器人等自動化系統(tǒng)進行聯(lián)動，提高清潔效率；（3）混合清洗相關的研發(fā)和應用亟需加強，由于清洗物表面情況復雜，影響激光清洗效果的因素眾多，因此實現(xiàn)工程化使用普適性強的混合清洗工藝，有利于實現(xiàn)復合清洗以及效率、效果和成本三者間的平衡?？偠灾?，激光清洗技術的發(fā)展前景十分廣闊，在未來將在更多領域獲得應用，并且隨著技術的進步和市場份額的擴大，其規(guī)?；彤a業(yè)化程度將得到進一步提升。

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來自： 激光評論