激光清洗机理及参数影响规律

激光清洗(Laser Cleaning)是去除固体表面不同材料和尺寸的脏污颗粒及膜层的有效方法。通过把高亮度和方向性好的连续或脉冲激光，通过光学聚焦和光斑整形后形成具有特定光斑形状与能量分布的激光束，照射到被污染的需要清洗的材料表面，其上附着的污染物材料吸收激光能量后，会产生振动、熔化、燃烧，甚至气化等一系列复杂的物理化学过程，并最终使污染物脱离材料表面，即使激光作用在清洗后的表面，绝大部分都是被反射掉，对基材不会造成损伤，从而达到清洗的效果。如下图：表面带红漆的铝合金清洗

激光清洗可以依照不同的分类标准进行分类。如按照激光清洗工艺中对基体表面是否覆液膜分为干式激光清洗以及湿式激光清洗。前者为激光直接照射污染物表面，后者需要在激光清洗表面施加湿气或者液膜。湿式激光清洗的效率高，但激光湿式清洗需要人工涂覆液膜，故要求液膜成分不能改变基体材料自身性质变化。因此相对于干式激光清洗技术来说，湿式激光清洗的应用范围有一定限制。干式激光清洁是目前应用最广泛的激光清洁方法，它利用激光束直接辐照工件表面以去除颗粒和薄膜。

激光干式清洗

激光干式清洗的基本原理就是微粒与材料基底受到激光照射后，在瞬间将吸收的光能转换为热能，引起微粒或者基底或者两者同时的瞬间热膨胀，在微粒与基底间瞬间产生一个加速度，加速度产生的力克服微粒与基底间的吸附力，使微粒脱离基底表面。

根据激光干式清洗不同的吸收方式，激光干式清洗主要可以分为以下两种形式：

1、针对熔点大于母材（或激光吸收率差异较大）的粉尘颗粒：微粒吸收激光照射强于基底的吸收（a）或者相反（b），此时微粒吸收激光光能转换为热能，引起微粒的热膨胀，尽管热膨胀量非常的小，但是热膨胀都是在极短的时间内发生的，因此会产生巨大的瞬间加速度作用于基底，同时基底反作用于微粒，作用力克服相互之间的吸附力，使微粒脱离基底，原理示意图如图1所示：

2、针对沸点较低的脏污：表面脏污直接吸收激光能量，瞬间高温沸腾蒸发，直接汽化去除脏污，原理如图二所示。

激光湿式清洗原理

激光湿式清洗又被称为激光蒸汽式清洗，相对于干式来讲，湿式清洗是在清洗件表面有一层薄薄的几微米厚的液膜或介质膜的存在，液膜受到激光照射液膜温度瞬间升高并产生大量的气泡发生气化反应，气化爆炸产生的冲击力克服微粒与基底间的吸附力。根据微粒、液膜以及基底对激光波长吸收系数的不同，激光湿式清洗可以分为三种类型。

1、基底吸收激光能量强

激光照射到基底和液膜上，基底对激光的吸收远远大于液膜的吸收，因此在基底与液膜的交界面发生爆炸性的气化现象，如下图所示。从理论上讲，脉冲时间越窄，越容易在交界处产生过热，从而产生更大的爆炸冲击力。

2、液膜吸收激光能量强

这种清洗的原理是液膜吸收大部分的激光能量，在液膜表面发生爆炸性气化现象，如下图所示。此时激光清洗的效率没有基底吸收时好，因为此时爆炸冲击力在液膜表面。而基底吸收时，气泡和爆炸发生在基底和液膜的交接处，爆炸冲击力更容易把微粒推离基底表面，因此，基底吸收清洗的效果更好。

3、基底与液膜两者共同吸收激光能量

此时清洗的效率很低，激光照射到液膜后，有一部分激光能量被吸收，能量分散在整个液膜内部，液膜沸腾产生气泡，剩余的激光能量穿过液膜后被基底吸收，如图所示。此种方式需要更多的激光能量才可以产生沸腾气泡，才会发生爆炸。因此这种方法的效率很低。

    采用基底吸收的方式进行激光湿式清洗时，由于大部分激光能量被基底吸收，会造出液膜与基底交界处过热，在界面处产生气泡，与干式清洗相比，湿式是利用交界处气泡爆炸产生的冲击力实现激光清洗，同时可以选择在液膜中加入一定的化学物质与污染物微粒发生化学反应，来降低微粒与基底材料之间的吸附力，以此来降低了激光清洗的阈值。因此湿式清洗能一定程度上提高清洗的效率，但是同时存在一定的困难，液膜的引入有可能会导致新的污染，而且液膜的厚度较难控制。

影响激光清洗质量的因素

激光波长的影响

激光清洗的前提是激光吸收，因此，在选择激光光源时，首先要结合清洗工件的光吸收特性，选择适合波段的激光器作为激光光源。此外，国外科学家实验研究表明，清洗相同特性的污染物微粒，波长越短，激光的清洗能力越强，清洗的阈值越低。由此可见，在满足材料光吸收特性的前提下，为了提高清洗的效果和效率，应该选择波长更短的激光作为清洗光源。

功率密度的影响

在进行激光清洗时，激光的功率密度存在一个上限损伤阈值与下限清洗阈值。在此范围内，激光清洗的激光功率密度越大，清洗能力就越大，清洗的效果就越明显。因此应在不损伤基底材料的情况下，应尽可能的提高激光的功率密度。

脉冲宽度的影响

激光清洗的光源可以是连续光也可以是脉冲光，脉冲激光可以提供很高的的峰值功率，因此能轻易的满足阈值的要求。而且研究发现，在清洗过程中对基底造成的热效应方面，脉冲激光的影响更小，连续激光造成的热影响区域更大。

扫描速度与次数的影响

显然在激光清洗的过程中，激光扫描的速度越快次数越少，清洗的效率越高，但是这有可能会造成清洗效果的下降。因此在实际的清洗应用过程中，应该根据清洗工件的材料特性以及污染情况选择适当的扫描速度和扫描次数。扫描时的重叠率，等也会影响清洗效果，

离焦量的影响

激光清洗前激光大都经过一定的聚焦透镜组合进行会聚，而实际的激光清洗的过程中，一般都是在离焦的情况下进行的，离焦量越大，照在材料上得光斑越大，扫描的面积越大，效率越高。而在总功率一定时，离焦量越小，激光的功率密度越大，清洗能力越强。

[1]路磊. 全固态1064nm/532nm双波长激光清洗机关键技术的研究[D].长春理工大学,2012.