光清洗介绍

光是一种电磁波，具有各自的波长和相应的能量。它应用于物体的清洗是近年来发展起来的，但应用面仍比较窄，设备成本较高。目前，应用于清洗的光有激光清洗和紫外线清洗两种。

激光清洗

激光又称"莱塞"（LASER），是根据英文"LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation"词头缩写而成，其含义是“受激辐射产生的光放大”。它是20世纪科学技术的重大发现，已在国民经济各个领域尤其在光导通信领域得到广泛应用。近年来，激光技术也涉及到了表面处理领域，如激光表面改性和激光清洗。激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程。

1.激光清洗的原理特性

激光是在时间上和空间上高度集中的光束，除了具有光的一般特性外，由于釆用了光学谐振腔，还具有如下特点。

a.单色性强；

b.方向性好；

c.相干性好，激光的发散角很小，相干面积大，所以，空间相干性好：

d.亮度高，按光度学，空间发光体的亮度B的定义为

B=P/ΔΩΔS

式中：P——辐射功率；

ΔΩ——发光束的立体角；

ΔS——发光体的面积。

如发光功率仅为10mW的He-Ne激光，可比太阳的亮度高几千倍，所以说激光束是能量高度集中的光束，聚焦后的激光可形成10⁴〜10¹⁵W/cm²功率密度的照射，并在10-¹¹s内，便可将光能转变为热能。

激光清洗的原理正是基于激光束的高亮度（高功率）、高方向性并能瞬间转化为热能的特性，将工件表面的污垢熔化或汽化而被去除，同时可在不熔化金属的前提下把金属表面的氧化物锈垢除去。

由于激光清洗物质、过程特点和所使用的激光器的波长、能量密度和清洗方式的不同，激光清洗的机理也有所差别。归纳起来，激光清洗机理有如下几种：

（1）燃烧汽化机理：对于油脂、油漆、橡胶等低燃点、易挥发的待清洗物质而言，激光清洗的机理主要是燃烧汽化机理；

（2）热冲击与热震动诱导涂层剥落机理：对于橡胶、油漆甚至铁锈等物质，由于激光辐照产生的热冲击和热震动，或者污染物粒子发生热膨胀，导致待清洗物质直接剥落；

（3）激光烧蚀机理：采用高峰值功率的激光束使固体物质瞬间汽化、消融而实现清洗的过程。激光烧蚀机理一般在准分子激光、高能量密度的Nd：YAG激光清洗固体污染物质时发生，如激光除锈等技术。

（4）激光诱导冲击波清洗机理：对于激光+液膜的清洗方法，当激光照射于液膜上时，液膜急剧受热，产生爆炸性汽化，爆炸性冲击波使基体表面的污物松散并随冲击波飞离加工物体的表面，达到去污的目的。这种方法也包括粒子热膨胀、基体表面和污物粒子的振动，但爆炸性冲击波是主要的。此种方法所用液膜一般为水膜，或为少量的甲醇或乙醇与水的混合液体，覆盖于工件表面的厚度约为10µm。

2.激光清洗的方法与特点

激光清洗的方法主要有5种：激光干洗法、激光+惰性气体辅助法、激光+液膜辅助法、透明物质的激光背射清洗法和激光+化学方法复合法。

（1）激光干洗法：即采用脉冲激光直接辐射去污。这是使用最为广泛的激光清洗方法，它不需要清洁液或其他化学溶液，不会导致二次污染，而且洁净度远远高于化学清洗方法。

（2）激光+惰性气体辅助法：即激光辐射的同时，用惰性气体吹向工件表面，当污物从表面剥离后，就被气体吹离表面，避免清洁表面再次污染和氧化；惰性气体辅助清洗方法可以进一步提高零件的表面清洁程度。

（3）激光+液膜辅助法：即首先沉积或者涂覆一层液膜于待清洗的基体表面，然后用激光使液膜发生爆炸式蒸发，达到去污的目的。液膜物质主要由一些易蒸发的特殊物质组成，它可以起到降低激光能量，提高清洗效率的作用。

（4）透明物质的激光背射清洗法：对于玻璃、单晶硅等激光透明物质而言，将激光从背面透过清洗表面物质，此种激光清洗的机理与前面相同，但是激光清洗的效果往往比前者理想，所需要的能量也更低。

（5）激光+化学去污组合法：用激光使污物松散后，再用非腐蚀性的化学方法去污。目前在工业生产中主要釆用前面四种清洗方法，其中激光干洗法和激光+液膜清洗方法用得最多；第五种方法仅见于艺术品的清洗保护中。

一般而言，激光清洗技术具有如下特点：

（1）清除物质和适用的基材范围广泛，从大的块状污染物，如锈、手印、油污、油漆等，到小的微细颗粒，如灰尘和金属超细颗粒等均可以采用此方法进行清洗，适用的基材包括碳钢、不锈钢、铜等金属及合金，单晶Si片、大理石、木板、纸张、陶瓷、玻璃与高分子材料等。

（2）利用被清洗物质的物理化学性能差别及其对激光波长与能量密度的清洗阈值不同，可以实现选择性清洗。即在不损伤被清洗物质本体的前提下，将所希望清洗的物质去掉。例如，在清洗古典油画等文物时，就可以通过激光器波长与功率的选择，只去掉油画表面的污垢，而不损伤油画本身的油墨。

（3）激光清洗过程属非接触性加工，可以进行远距离操作，通过调控激光工艺参数，可以在不损伤基材表面的基础上，有效去除表面污染物；借助于现代化的手段，可以方便地实现自动化操作。利用光纤将激光引入污染区，操作人员只需远距离遥控操作，非常安全方便；通过设计相应的机械手，可对不同污染部位进行选择性的清洗。这对于一些特殊的应用场合，如核反应堆蒸发冷凝管的除锈等，具有重要意义。

（4）激光清洗过程无机械力作用，清洗表面的清洁度远远高于化学清洗工艺，因此在液晶、微电子元器件生产中可以发挥重要的作用。

（5）激光清洗设备可以长期使用，运行成本低。

（6）激光清洗技术是一种“绿色”清洗工艺，消除的废料是固体粉末状，体积小，易于存放，对环境基本上不造成污染，等等。

3.激光清洗的应用

激光清洗技术在近10年来得到了飞速的发展，它不仅是传统清洗技术的补充和延伸，而且它以自身的许多特点在许多领域中逐步取代传统清洗工艺，特别是不产生消耗臭氧层物质（ODS），应用前景十分广阔。目前，激光清洗的应用主要集中在以下几个方面。

（1）激光清洗精密元器件的表面颗粒物

在微电子制造工艺中，微电路衬底表面的清洁度是决定产品质量的关键，因为微米级的个别外来微粒都可能导致电路失效，使元件的成品率下降。基片表面残存的颗粒主要为金属碎片、光致抗蚀剂屑、金属离子、有机薄膜碎片等，颗粒的直径范围为50nm〜80Pm。研究结果表明，采用激光清洗技术清除这些微粒物，清洗效果比采用超声波振动清洗的效果更加好。现在，采用激光清洗微小颗粒，最小尺寸已经达到50nm，可以满足超大规模集成电路的要求，该技术现在已经在工业中得到应用。类似的成果同样可以应用于制备超光滑的表面光学元件中。如镀有反射膜的光学基片上残留有微小杂质时，会使光产生散射，并干扰周围的入射光和反射光。采用激光辅助清洗技术则可以有效地除去反射镜表面残留的极细微污染杂质，保证光学元件的质量。

（2）激光除锈

由于暴露在大气环境中，桥梁、电视发射塔、高压输电线路的铁架等高架建筑物的表层很容易锈蚀，影响了建筑物的外在美观，如果不及时加以处理还很容易失效，造成突发事故。由于此类建筑物非常庞大，采用常规清洗方法进行维护非常不便，而采用非接触式的激光清洗技术对锈蚀的表面进行清洗，不仅能使金属表面发生氧化的锈蚀层迅速熔化蒸发，而且可以在金属构件表面形成一层几微米厚的金属熔凝层，它具有致密的组织，良好的耐腐蚀性，可以防止金属进一步锈蚀。图4-28所示为钢件表面铁锈层激光

清洗前后的形貌，可见激光清洗后锈层不仅全部去掉，还形成了一层熔凝层。电化学分析测试结果表明，激光清洗后钢件表向的耐蚀性有一定程度的提高。现在，还有人在尝试釆用激光除锈作为热喷涂技术的预清洗工艺，或者采用激光清洗镀锌层等，都取得了一定的效果。

图4-28钢件表面铁锈层激光清洗前后的形貌

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（3）激光去除有机（涂）层

激光清洗技术在去除有机涂层如清除模具表面的橡胶层、除漆和剥除导线皮等方面具有独到的优势，有关设备现在已经在工业中得到初步应用。采用激光清洗轮胎模具表面的橡胶层，模具无须从硫化机上卸下从而实现在线清洗作业。根据残余物的多少和胶料结构的不同，完全清洗好一个模具的时间大大缩短。激光清洗的另一个优点是只去掉橡胶层而不损伤模具，避免了常规喷砂清洗过程对模具的磨损。该技术已经在国外多家轮胎生产厂中得到应用。

用激光除去物体表面漆层是一种先进的退漆工艺，在航空工业中和船舶工业中有很大的应用空间，如清洗飞机的机体和大型船只表面的油漆。同传统的溶剂清除和喷砂法相比，激光除漆清洁速度快，不会造成环境污染，能除掉不规则表面上的漆层。一般多用CO₂激光除漆，或用光纤传送固体激光进行远程激光除漆。例如，采用脉冲CO₂激光器来烧蚀漆层，可以将0.005mm厚的漆层汽化而基体仍保持冷态，不受损伤。这种激光在数小时内可以将厚度1mm、面积36m²的漆层剥离，并有真空系统及过滤器对废渣进行处理，成本低。

在精密电子器件的加工中，采用激光来除去金属导体上覆盖的有机绝缘材料，如激光剥除导线皮和去除有机薄膜等很有必要。在微电子的制造工艺中，许多组件加工要求精确地从导线的一个或几个位置除去绝缘层，要去掉的材料通常是聚酰亚胺、聚四氟乙烯之类的有机材料，在导线很细的情况下，用传统的方法无法完成。激光剥线能完全除去导线周围的绝缘层，而导线本身和其余的绝缘层无烧灼、变形或掉色，并且不留下碎片。在微电子工业中，常用准分子激光进行除去薄膜等选择性加工。由于清除介质材料的能量一般低于蚀除金属膜所需的能量，因此准分子激光能够从金属基底上去掉聚合物膜、粘合剂或光刻胶，而不损伤金属基底。

（4）激光清洗珍贵文物

由于文物和艺术品的重要性和特殊地位，使激光清洗技术在此领域的应用超过在其他领域中的应用，充分地发挥岀了激光清洗技术的独特优点。目前该技术在文物和艺术品领域的应用范围非常广泛，包括清洗古建筑表面、年代久远的雕塑、珍贵的古钱币和绘画作品等。如意大利和奥地利两国的专家采用波长为1064nm，脉冲宽度小于10nm，激光光斑的直径大于2.5mm，能量为1200mJ的固体激光器，应用光纤对激光进行传输，清洗了建于14世纪中叶的意大利Albertino圣坛，实现了图像的远程大面积清洗，成功地除去了圣像表面上覆盖的几毫米厚的碳黑和灰泥硬壳层，清洗效率约为1〜1.5m²/d，清洗后恢复了图像的古色旧貌。

4.我国激光清洗技术与设备的应用现状和发展趋势

综上所述，激光清洗技术在工业产品、文化产品及建筑中有广泛的应用前景。我国研究人员从20世纪90年代开始，从事激光清洗工艺研究和系统设备的开发，在激光除锈、激光清洗橡胶轮胎模具和油漆、激光清洗颗粒物等方面积累了相当的工作经验，在此基础上也开发了部分激光清洗设备。但是，当前我国激光清洗技术在工业产品和文化产品中的真正实际应用还没有起步，除了设备适应性、价格因素外，最主要的原因还在于宣传的力度不够，企业对该技术的认识程度有限。

随着激光清洗技术与设备发展的不断深入，现有的成熟应用技术将会在我国得到推广应用，例如我国飞机、舰船维护时表面油漆、电子行业中单晶硅板表面颗粒物的去除以及文物保护方面的清洗等。另一方面，现有的激光清洗设备体积和重量偏大，清洗效率偏低、激光清洗质量评估系统的自动化程度低以及缺乏激光清洗工艺的数据库等，仍然是制约激光清洗技术产业化进程的瓶颈。激光清洗系统正向低成本、便携式、自动化方向发展，这也是决定激光清洗技术能否得以广泛应用的关键所在。此外，激光清洗设备制造企业还应该与相关的应用单位密切合作，联合开发满足特定需要的新型清洗设备。

紫外线清洗

在石英、玻璃、陶瓷及硅片和带有氧化膜的金属等材料上的有机污垢物的去除常用到紫外线的清洗作用。下面介绍紫外线的产生以及它的清洗作用。

1.紫外线和它的作用

紫外线是一种波长在可见光与X射线之间的光线，是波长在100~400nm范围的电磁波。通常的光学玻璃可透过波长在350nm以上的紫外线，水晶和石英玻璃能透过波长更短一些的紫外线。紫外线具有较高的能量，波长越短的紫外线能量越高。一些物质的分子吸收紫外线后会处于高能量的激发状态，有解离或电离的倾向。

（1）紫外线引起有机物的分解：紫外线对微生物有很强的杀灭作用，因此在制备超纯水时要利用紫外线进行杀菌处理。当微生物中的有机物分子中的原子，吸收波长在210〜296nm的紫外线后，会被激发进而引起有机物分子的分解。研究结果表明，杀菌力最强的紫外线波长在265nm附近。同样道理，紫外线可使有机性污垢分解去除。

（2）紫外线促进臭氧分子的生成：当空气中的氧分子吸收240nm以下波长的紫外线后会生成臭氧分子。在生成臭氧的同时也生成有强氧化力的激发状态的氧气分子。

（公式P213页）

由于太阳光中含有大量紫外线，在通过地球外层大气圈时，具有高能量的短波紫外线（波长240nm以下）与大气中的氧气反应，生成臭氧而被大气吸收，只有能量较低的长波紫外线能透过大气层，大气臭氧层的形成保护了地球上的生命免受紫外线的伤害。因此，保护大气臭氧层这个天然屏障对人类有着非常重要的意义。

由于紫外线既可使组成污垢的有机物分子处于激发状态，又能产生臭氧这种具有强氧化力的物质，所以人们研究出利用紫外线一臭氧协同作用的清洗方法：紫外线一臭氧并用法（UV—O₃法），它是干式清洗方法中重要的一种。

2.紫外线一臭氧并用清洗法（UV—O₃法）

在这方面科学家们做了许多研究。如R.R.Sowell在1974年做过一个实验：把一片被巴西棕櫚蜡污染过的玻璃用三氯乙烯溶剂清洗，然后在实验过程中不断用紫外线对玻璃进行近距离照射，清洗之前，三氯乙烯在玻璃上的接触角为30°，发现随着照射紫外线时间的延长，接触角逐渐降低。12h后达到洗净玻璃在理论上可以达到的最小接触角（4°〜5°）。其实验结果见图4-29。

图4-29紫外线一臭氧并用法清洗试验

图片P213页

又如J.R.Vig等人在1976年利用图4-30的实验装置对被皮脂污染过的石英晶片进行清洗实验。

图4-30装置中的光源为低压汞灯，灯外罩玻璃是用熔融石英玻璃制成的（以保证紫外线完全可以通过）。装置1中，低压汞灯发出的光90%是波长为253.7nm的紫外线，还有一定数量的波长为184.9nm的紫外线。装置2中低压汞灯发射出的184.9nm波长的紫外线被灯管玻璃吸收，只能发射出253.7nm的紫外线，把这个低压汞灯与一个放电产生臭氧的臭氧发生器组合在一起。在距离汞灯为1cm处的辐照度为1.6W•cm-²。被皮脂污染过的石英晶片在清洗处理前后都用测定清洁度的装置（蒸气测试）进行测定，实验结果见表4-10。

图4-30紫外线一臭氧并用法实验装置

表4-10紫外线一臭氧法实验

表格P214页

实验结果表明，波长253.7nm的紫外线能激发有机物污垢的分子，而波长184.9nm的紫外线能激发氧气生成臭氧，并与紫外线发生协同作用，最后使有机物污垢分子分解成挥发性小分子CO₂、H₂O和N₂等。

只用臭氧和只用253.7nm波长的紫外线清洗去污时，速度都很慢；而用图4-30装置1中的253.7nm波长的紫外线与能激发氧气产生臭氧的184.9nm波长的紫外线去污时，以及用装置2中的253.7nm波长的紫外线和臭氧发生器协同作用时，都会使清洗速度大大加快。

根据这些实验结果，人们目前已开发出有一定功率的实用型紫外线一臭氧并用的清洗装置。

但使用紫外线一臭氧法清洗还存在一些需要解决的问题。主要有以下几点：

①污垢中的无机成分或处理后的灰分会残留在物体表面，因此需要釆用相应的办法进一步清除。

②处理时，当清洗对象表面与照射光源距离稍远时，产生的会自动分解失去作用。

③这种处理方法要求紫外线能透过清洗对象表面，对有立体结构的清洗对象不太适合，只能清洗平面结构的物体。

④由于需防止臭氧扩散对人体造成损害，需要在密闭装置中进行。

⑤由于臭氧是通过氧化反应去除污垢的，所以容易被氧化的表面不能用这种方法处理。

石英、玻璃、陶瓷、硅晶片以及带有氧化膜的金属等材料的平面结构物品进行超精密清洗处理适合用这种方法。特别是能透过紫外线的石英以及半导体硅晶片集成线路表面残留的光致抗蚀膜等污垢，用这种方法处理很合适。