CN101574697A - 便携式全固态双波长激光清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其包括系统控制器(1)、双波长全固态激光器(2)、反射光学系统(3)、高速微振镜A(4)、高速微振镜B(5)、扫描场镜(6)和温度控制器(7)；采用半导体端面泵浦双波长激光器作为清洗的光源，激光的光束质量好，功率密度高，半导体制冷、体积小。该装置能够同时输出1064nm和532nm两种激光波长，保证了清洗的效果好和适应范围宽，便于携带适于移动式清洗。可用于对物体表面污迹进行有效清洗和清除。同时，还可以用于光学元件、微电子器件、电子线路板、硅片、模具和各种装备等表面的清洗。对纳米级微粒进行清洗，清洁度高于95％，清洗的效率提高了1倍。

Description

便携式全固态双波长激光清洗装置

技术领域

本发明专利涉及一种便携式全固态双波长激光清洗装置。

背景技术

在工业生产、环境保护、文物保护和医疗等领域中，常常需要对污物进行清洗，如工业制品表面的油脂、灰尘、锈垢或残留的溶剂、粘结剂等污物影响着装配后产品的质量和稳定性；模具花纹、沟槽中积存的残留物影响制品的表面形状，降低了成品率；集成电路板表面残留的有机薄膜、污垢等会引起器件的严重损坏；金属制品表面的锈迹、油漆等影响着产品的外观；光学元件基底表面残留的吸附杂质、缺陷以及吸附水分等将造成薄膜的吸收、散射增大，是导致元件损伤阈值低的关键问题；在城市道路、广告牌、电线杆、车站牌以及建筑墙壁表面的“小广告”，严重影响了城市的精神面貌，是困扰市政环卫部门的难题。

传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法，机械清洗法即采用刮、擦、刷、喷砂等机械手段去除表面污物；湿法化学清洗法是利用有机清洗剂，通过喷、淋、浸泡或高频振动等措施去除表面附着物；超声波清洗法是将被处理零件放入清洗剂中，利用超声波产生的振动效应除去污垢。目前这三种清洗方法在我国清洗市场中仍占主导地位，但在环境保护和高精度要求下其应用受到很大的限制。机械清洗法无法满足高清洁度清洗要求，容易损伤被清洗工件的表面；而化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有限，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面消洁度的要求。超声波清洗法尽管清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗无能为力，清洗槽的尺寸限制了加工零件的范围和复杂程度，而且清洗后对工件的干燥亦是一大难题，造成二次环境污染。激光清洗避免了上述情况的发生，清洗清洁度和清洗效率高，是一种“绿色”清洗技术。

目前研究人员分别采用KrF激光器、Nd:YAG激光器、Ho:YAG激光器、CO₂激光器等实现了对铝镜、半导体元件、磁头、芯片、电子线路、硅片、石质制品、青铜文物、固体电极、轮胎模具、光学元件和牙齿等进行清洗，有效的去除微米和亚微米级Si/Al、Sn、Al₂O₃、SiO₂、有机薄膜以及各种氧化物粒子等。对污垢、油脂、锈、油漆、指纹、皮肤油脂及二甲基硅油等清洁率高达90％。

近两年国外对激光清洗技术参数和机理方面的研究正逐渐减少，有关应用的研究占了主导地位，并在实际应用中展示了该技术的优越性。同时，激光清洗的配套装置也比过去更加完善。采用激光清洗技术在文物和艺术品保护方面的应用明显多于在其他方面的应用，而且多用YAG激光器，并且多采用激光束连续扫描的方式，即面清洗技术。随着技术的进一步推广，对激光清洗机的要求也在逐渐增多，除了注重清洗效果、清洗的效率和低成本之外，更希望的清洗装置能够便携和适用范围广等。

已报道的激光清洗装置由于激光的波长单一或不是同时输出双波长，如专利CN1B27232A-“一种基于激光冲击处理的新型涂层喷涂清洗”、CN1B14361A-“运用激光激化气体的清洗方法及装置”、CN1B17549A-“便携式激光清洗系统”；CN101214488A-“半导体激光清洗机”和CN101219430A-“瓦级全固态紫外激光清洗机及激光清洗方法”。通常材料表面的附着物种类多，而材料对波长的吸收具有选择性，因此单一激光波长适应范围相对较窄，不可避免会遇到对某些污物清洗效果好，而对另一种污物清洗效果较差，制约了清洗的效果。

发明内容

为了克服单一激光波长清洗适应材料范围窄，对污物的清洗有选择性等导致清洗效果较差的问题，本发明提供了一种便携式全固态双波长激光清洗装置。该装置能够同时输出1064nm和532nm两种激光波长，而且体积小便于携带，清洗速度快。

如附图1所示，本发明提供的一种便携式全固态双波长激光清洗装置包括系统控制器1、双波长全态激光器2、反射光学系统3、高速微振镜A4、高速微振镜B 5、扫描场镜6和温度控制器7；其中系统控制器1与双波长全固态激光器2、扫描控制器7相连接，并向双波长全固态激光器2和扫描控制器7提供开关信号；双波长全固态激光器2输出的双波长激光束经过反射光学系统3光路折转后入射到高速微振镜A 4和高速微振镜B 5上，扫描控制器7与高速微振镜A 4和高速微振镜B 5分别相连接，并分别向高速微振镜A 4和高速微振镜B 5提供扫描控制信号；高速微振镜A 4和高速微振镜B 5接收到扫描控制器7的运动信号后分别实现激光束在X向和Y向产生转角Θx和Θy，扫描场镜6将转角Θx和Θy转换为X向和Y向位移，双波长激光束经过扫描场镜6被耦合到被清洗工件表面，从而实现对目标物的二维扫描清洗；

如附图2所示，所述的双波长全固态激光器2为半导体激光端面泵浦固体激光器，其由激光电源8、半导体激光器9、光束整形系统10、激光晶体11、Q开关12、倍频晶体13、输出镜14和温度控制器15组成；所述的激光电源8与半导体激光器9相连接，并向其供电；半导体激光器9输出的泵浦激光束经过光束整形系统10先进行准直，然后再进行聚焦，聚焦光斑在激光晶体11的轴向中心位置，激光晶体11吸收泵浦激光束后实现粒子数反转形成1064nm基频光，并在激光晶体11的前端面与输出镜14间振荡，1064nm基频光经过Q开关12产生纳秒级调Q激光脉冲，经过倍频晶体13后产生频率加倍，即形成532nm倍频光，1064nm基频光和532nm倍频光经过输出镜14输出；

所述的温度控制器15采用半导体致冷器制冷，温度控制器15与激光电源8、半导体激光器9、激光晶体11、Q开关12和倍频晶体13相连接并控制它们的温度稳定在设定的温度值，而且向激光电源提供反馈信号；

所述的激光晶体11优选Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体或Nd:YAG晶体，其中Nd³⁺掺杂原子百分比浓度为1％；激光晶体11的前端面同时镀制808nm增透膜和1064nm高反射膜，后端面同时镀制1064nm和808nm的增透膜。

所述的Q开关12优选声光Q开关、被动Q开关或电光Q开关；

所述的倍频晶体13优选为KTP晶体或KDP晶体，倍频晶体13的前端面同时镀制1064nm的增透膜，808nm和532nm的高反射膜，后端面同时镀制1064nm和532nm的增透膜；输出镜14同时镀制532nm的增透膜和1064nm部分透射膜；

所述的反射光学系统3由两个45°反射镜组成，将45°入射的来自双波长全固态激光器的双波长激光束进行两次反射，通过调整两个45°反射镜从而将双波长激光束与后续光学系统同光轴；优选两个45°反射镜对1064nm和532nm的反射率均高于99.5％；

所述的高速微振镜A 4和高速微振镜B 5的性能参数相同，且小步长阶跃响应时间均不大于0.4ms，从而保证扫描的速度；

所述的高速微振镜A 4和高速微振镜B 5上的光学镜片均对1064nm/532nm在45°±10°范围反射率高于99％，最大允许光斑直径不大于8mm，保证入射激光束恰好入射在光学镜片的中心轴上；高速微振镜A4和高速微振镜B 5的光学镜片中心间距大于两个光学镜片的半径和，且相互垂直安装，高速微振镜B 5上的光学镜片略长，以保证高速微振镜A 4转动不至于将光斑投射到高速微振镜B 5上的光学镜片的外侧。

所述的扫描场镜6焦距为150mm，装卡后直径为55mm的场镜，且对1064nm和532nm两个波长的透射率均高于99.5％。

双波长全固态激光清洗系统在工作时要求操作人员佩戴激光防护眼镜，以免使用中反射/散射光入射到人的眼睛而造成损伤。

有益效果：本发明采用半导体端面泵浦双波长激光器作为清洗的光源，激光的光束质量好，功率密度高，半导体制冷、体积小，双波长输出，因此双波长输出保证了清洗的效果好和适应范围宽，便于携带适于移动式清洗。主要用于对公共场所如道路、广告牌、电线杆、车站牌、以及各种石质材料、建筑墙壁等表面上的污垢、锈斑、油漆、橡胶、塑料、残留的溶剂和粘结剂能进行有效清洗和清除。同时，还可以用于光学元件、微电子器件、电子线路板、硅片、模具和各种装备等表面的清洗。对纳米级微粒进行清洗，清洁度高于95％，清洗的效率提高了1倍。

附图说明

图1是便携式全固态双波长激光清洗装置的示意框图。

图2是双波长全固态激光器示意框图。

具体实施方式

实施例1一种便携式全固态双波长激光清洗装置。

如附图1所示，本发明提供的一种便携式全固态双波长激光清洗装置包括系统控制器1、双波长全态激光器2、反射光学系统3、高速微振镜A4、高速微振镜B 5、扫描场镜6和温度控制器7；其中系统控制器1与双波长全固态激光器2、扫描控制器7相连接，并向双波长全固态激光器2和扫描控制器7提供开关信号；双波长全固态激光器2输出的双波长激光束经过反射光学系统3光路折转后入射到高速微振镜A 4和高速微振镜B 5上，扫描控制器7与高速微振镜A 4和高速微振镜B 5分别相连接，并分别向高速微振镜A 4和高速微振镜B 5提供扫描控制信号；高速微振镜A 4和高速微振镜B 5接收到扫描控制器7的运动信号后分别实现激光束在X向和Y向产生转角Θx和Θy，扫描场镜6将转角Θx和Θy转换为X向和Y向位移，双波长激光束经过扫描场镜6被耦合到被清洗工件表面，从而实现对目标物的二维扫描清洗；

如附图2所示，所述的双波长全固态激光器2为半导体激光端面泵浦固体激光器，其由激光电源8、半导体激光器9、光束整形系统10、激光晶体11、Q开关12、倍频晶体13、输出镜14和温度控制器15组成；所述的激光电源8与半导体激光器9相连接，并向其供电；半导体激光器9输出的泵浦激光束经过光束整形系统10先进行准直，然后再进行聚焦，聚焦光斑在激光晶体11的轴向中心位置，激光晶体11吸收泵浦激光束后实现粒子数反转形成1064nm基频光，并在激光晶体11的前端面与输出镜14间振荡，1064nm基频光经过Q开关12产生纳秒级调Q激光脉冲，经过倍频晶体13后产生频率加倍，即形成532nm倍频光，1064nm基频光和532nm倍频光经过输出镜14输出；

温度控制器15采用半导体致冷器作为制冷元件，制冷功率为100W。温度控制器15与激光电源8、半导体激光器9、激光晶体11、Q开关12和倍频晶体13相连接。温度控制器15控制半导体激光器9、激光晶体11、Q开关12和倍频晶体13的温度，使它们稳定在设定的温度值，并向激光电源提供反馈信号；

所述的反射光学系统3由两个45°反射镜组成，将45°入射的来自双波长全固态激光器的双波长激光束进行两次反射，通过调整两个45°反射镜从而实现将双波长激光束与后续光学系统同光轴，两个45°反射镜对1064nm和532nm的反射率均高于99.5％；

所述的高速微振镜A 4和高速微振镜B 5均为微型振镜且相应的性能参数相同，小步长阶跃响应时间为0.2ms，从而保证扫描的速度。高速微振镜A4和高速微振镜B 5上光学镜片均对1064nm/532nm在45°±10°范围反射率均高于99％，最大允许光斑直径不大于8mm。装配时保证入射激光束恰好入射在光学镜片的中心轴上，高速微振镜A 4和高速微振镜B 5的光学镜片中心间距大于两个光学镜片的半径和，且相互垂直安装。高速微振镜B 5上的光学镜片比高速微振镜A4的光学镜片长，以保证高速微振镜A 4转动不至于将光斑投射到高速微振镜B5上的光学镜片的外侧；

所述的扫描场镜6焦距为150mm，装卡后直径为55mm的场镜，且对1064nm和532nm两个波长的透射率均高于99.5％；

所述的半导体激光器9为传导冷却型，输出中心波长为808nm，光纤耦合输出，功率为45W，传输光纤参数为NA＝0.22，芯径为600um。光束整形系统10对半导体激光器9输出光纤耦合光先进行准直，然后再进行聚焦，保证聚焦光斑在激光晶体11的轴向中心位置；

激光晶体11为Nd:YVO4晶体，Nd³⁺掺杂浓度为1％at，几何尺寸为￠3mm×15mm或3mm×3mm×10mm，激光晶体11的前端面同时镀制808nm增透膜和1064nm高反射膜，后端面同时镀制1064nm和808nm的增透膜；

Q开关12为声光Q开关，声光Q开关的驱动频率为27MHz，工作介质为熔融硅，对1064nm激光波长的透过率高于99.8％，插入损失小于10％，驻波比不大于1.2∶1；

倍频晶体13为KTP晶体或KDP晶体，倍频晶体13的前端面同时镀制1064nm的增透膜及808nm和532nm的高反射膜，后端面同时镀制1064nm和532nm的增透膜；

输出镜14同时镀制532nm的增透膜和1064nm部分透射膜(T＝7％)；

双波长全态激光器2输出1064nm波长的功率为10.5W，532nm波长的功率为6.2W，实现了对纳米级微粒清洗，清洁度达95％，清洗的效率相对于常规激光清洗设备提高了1倍。便携式全固态双波长激光清洗装置体积为110mm×130mm×300mm，重量为4Kg。

本发明专利提供一种便携式全固态双波长激光清洗装置，在工作时要求操作人员佩戴激光防护眼镜，以免使用中反射/散射光入射到人的眼睛而造成损伤。

实施例2激光晶体11为Nd:GdVO4晶体，其它同实施例1。

实施例3激光晶体11为Nd:YAG晶体，其它同实施例1。

实施例4上述实施例1、2或3中的Q开关12为被动Q开关，其它同实施例1、2或3。

实施例5上述实施例1、2或3中的Q开关12为电光Q开关，其它同实施例1、2或3。

Claims (8)

1、一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于包括系统控制器(1)、双波长全固态激光器(2)、反射光学系统(3)、高速微振镜A(4)、高速微振镜B(5)、扫描场镜(6)和温度控制器(7)；其中，系统控制器(1)与双波长全固态激光器(2)、扫描控制器(7)相连接，并向双波长全固态激光器(2)、扫描控制器(7)提供开关信号；双波长全固态激光器(2)输出的双波长激光束经过反射光学系统(3)光路折转后入射到高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)上，扫描控制器(7)与高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)分别相连接，并分别向高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)提供扫描控制信号；高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)接收到扫描控制器(7)的运动信号后分别实现激光束在X向和Y向产生转角Θx和Θy，扫描场镜(6)将转角Θx和Θy转换为X向和Y向位移，双波长激光束经过扫描场镜(6)被耦合到被清洗工件表面，从而实现对目标物的二维扫描清洗；

所述的双波长全固态激光器(2)为半导体激光端面泵浦固体激光器，其由激光电源(8)、半导体激光器(9)、光束整形系统(10)、激光晶体(11)、Q开关(12)、倍频晶体(13)、输出镜(14)和温度控制器(15)组成；所述的激光电源(8)与半导体激光器(9)相连接，并向其供电；半导体激光器(9)输出的泵浦激光束经过光束整形系统(10)先进行准直，然后再进行聚焦，聚焦光斑在激光晶体(11)的轴向中心位置，激光晶体(11)吸收泵浦激光束后实现粒子数反转形成1064nm基频光，并在激光晶体(11)的前端面与输出镜(14)间振荡，1064nm基频光经过Q开关(12)产生纳秒级调Q激光脉冲，经过倍频晶体(13)后产生频率加倍，即形成532nm倍频光，1064nm基频光和532nm倍频光经过输出镜(14)输出；

所述的温度控制器(15)采用半导体致冷器制冷，温度控制器(15)与激光电源(8)、半导体激光器(9)、激光晶体(11)、Q开关(12)和倍频晶体(13)相连接并控制它们的温度稳定在设定的温度值，而且向激光电源提供设备正常反馈信号；

所述的反射光学系统(3)由两个45°反射镜组成，将来自双波长全固态激光器45°入射的双波长激光束进行两次反射，通过调整两个45°反射镜从而将双波长激光束与后续光学系统同光轴；

所述的高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)为微型振镜，且相应的参数相同，小步长阶跃响应时间不大于0.4ms，从而保证扫描的速度；所述的高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)上光学镜片对1064nm/532nm在45°±10°范围反射率均高于99％，最大允许光斑直径均不大于8mm，保证入射激光束恰好入射在光学镜片的中心轴上；高速微振镜A(4)和高速微振镜B(5)的光学镜片中心间距大于两个光学镜片的半径和，且相互垂直安装，高速微振镜B(5)上的光学镜片比高速微振镜A(4)的光学镜片长，以保证高速微振镜A(4)转动不至于将光斑投射到高速微振镜B(5)上的光学镜片的外侧；

采用扫描场镜(6)焦距为150mm，装卡后直径为55mm的场镜。

2、如权利要求1所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的扫描场镜(6)对1064nm和532nm两个波长的透射率均高于99.5％。

3、如权利要求1所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的激光晶体(11)为Nd:YVO4晶体、Nd:GdVO4晶体或Nd:YAG晶体，其中Nd³⁺掺杂原子百分比浓度为1％。

4、如权利要求3所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的激光晶体(11)的前端面同时镀制808nm增透膜和1064nm高反射膜，后端面同时镀制1064nm和808nm的增透膜。

5、如权利要求1所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的Q开关(12)为声光Q开关、被动Q开关或电光Q开关。

6、如权利要求1所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的倍频晶体(13)为KTP晶体或KDP晶体。

7、如权利要求6所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的倍频晶体(13)的前端面同时镀制1064nm的增透膜及808nm和532nm的高反射膜，后端面同时镀制1064nm和532nm的增透膜。

8、如权利要求1所述的一种便携式全固态双波长激光清洗装置，其特征在于，所述的输出镜(14)同时镀制532nm的增透膜和1064nm部分透射膜。

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