自從 20 世紀 60 年代第一臺激光器產(chǎn)生以來，具有相干性好、發(fā)散角小、能量高度集中等特點的激光在各個領域都得到了廣泛的應用，比如激光測距、激光加工、激光通訊等。到了 20 世紀 80 年代，人們發(fā)現(xiàn)把高能量的激光束聚焦后照射一些物品的被污染的部位，使被照射的物質(zhì)發(fā)生振動、熔化、蒸發(fā)、燃燒等一系列復雜的物理化學過程，可以使污染物最終脫離物品表面，從而實現(xiàn)對表面污染物的清除，這就是激光清洗。此后十幾年來，激光清洗已經(jīng)從實驗室內(nèi)走向了實際應用，用于油污、銹蝕的去除、文物、微電子線路板等各種材料的清洗，并取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。
激光清洗的物理原理
脈沖式的Nd:YAG激光清洗的過程依賴于激光器所產(chǎn)生的光脈沖的特性，基于由高強度的光束、短脈沖激光及污染層之間的相互作用所導致的光物理反應。其物理原理可概括如下：
（1）激光器發(fā)射的光束被需處理表面上的污染層所吸收；
（2）大能量的吸收形成急劇膨脹的等離子體（高度電離的不穩(wěn)定氣體），產(chǎn)生沖擊波；
（3）沖擊波使污染物變成碎片并被剔除；
（4）光脈沖寬度必須足夠短，以避免使被處理表面遭到破壞的熱積累；
（5）實驗表明，當金屬表面上有氧化物時，等離子體產(chǎn)生于金屬表面；
（6）等離子體只在能量密度高于閾值的情況下產(chǎn)生，這個閾值取決于被去除的污染層或氧化層。這個閾值效應對在保證基底材料安全的情況下進行有效清潔非常重要。
等離子體的出現(xiàn)還存在第二個閾值。如果能量密度超過這一閾值，則基底材料將被破壞。為在保證基底材料安全的前提下進行有效的清潔，必須根據(jù)情況調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度嚴格處于兩個閾值之間。每個激光脈沖去除一定厚度的污染層。如果污染層比較厚，則需要多個脈沖進行清洗。將表面清洗干凈所需要的脈沖數(shù)量取決于表面污染程度。由兩個閾值產(chǎn)生的一個重要結(jié)果是清洗的自控性。能量密度高于第一閾值的光脈沖將一直剔除污染物，直到達到基底材料為止。又因為其能量密度低于基底材料的破壞閾值，所以基底不會受到破壞。
Nd:YAG激光清洗器特點
（1）它屬于四能級系統(tǒng)，量子效率高，受激輻射界面大，閾值遠遠低于紅寶石和釹玻璃；
（2）具有良好的熱穩(wěn)定性能，熱導率高，熱膨脹系數(shù)小，適用于脈沖、連續(xù)、高重復率等多種器件，是目前能在室溫下連續(xù)工作的、唯一實用的固體工作物質(zhì)；
（3）YAG 晶體各向同性，硬度大，化學性能穩(wěn)定，易于制成高穩(wěn)定度要求的器件。它已成為當前應用最為廣泛的主要固體工作物質(zhì)；
（4）Nd:YAG 器件已廣泛用于材料加工。除了在激光打孔、焊接、熱處理、打標、書寫、動平衡等加工中應用外，它還能在微細加工領域獲得廣泛應用。尤其是大規(guī)模集成電路的加工，已顯示出它獨有的優(yōu)越性。
圖 激光清洗裝置示意圖（該設置適用于較小的清洗部件）
在使用Nd:YAG三倍頻激光清洗鍍膜的K9玻璃表面的實驗中，實驗結(jié)合實際的某大型激光裝置運行過程中出現(xiàn)的光學表面污染問題，在污染物的選擇上，主要選用油脂作為實驗中的污染物。最終實驗結(jié)論表明使用 Nd:YAG 三倍頻激光照射被污染的化學膜層，在同等能量照射下，脈沖數(shù)越多，污染物面積越少；而在相同脈沖數(shù)下，照射能量越高，污染物面積越少。低能量、多次脈沖與高能量、一次脈沖可以達到相同的清洗效果。
激光清洗效益可觀
微米、亞微米級細微顆粒的去除是半導體、微電子、微型機械、精密光學等高新技術中的關鍵問題。細微顆粒與基體表面之間強大的附著力使常規(guī)去除方法難以奏效，短脈沖激光能有效清除微米、亞微米級細微顆粒。
激光清洗系統(tǒng)雖然前期一次性投入較高，但清洗系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定使用，運行成本低，更重要的是，可以實現(xiàn)自動化操作。它以自身的優(yōu)勢和不可替代性在許多領域中逐步取代了傳統(tǒng)清洗工藝。隨著科學技術的高速發(fā)展，激光清洗技術會越來越多地應用于人們的生產(chǎn)和生活中的各個領域。
我國在這方面的研究剛剛開展，目前雖然還難以詳細估計激光清洗技術的應用市場份額，但上述領域不少屬于國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，激光清洗技術滲入其中后，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益和社會效益是十分可觀的。利用我國現(xiàn)有的激光技術條件，開發(fā)配套的激光清洗設備，并使其在短時間內(nèi)實用化、產(chǎn)業(yè)化是完全可能的，對推動高新技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展本身亦具有重要而深遠的意義。
作者：李鴻鵬1，郭寶錄2
1.中國電子科技集團公司光電研究院
2.空軍駐錦州地區(qū)軍事代表室
參考文獻
李鴻鵬,郭寶錄 Nd:YAG脈沖激光清洗技術研究[J]. 光電技術應用, 2018, 33(2): 63～57
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