CN107470276A - 一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置和方法，包括水箱和位于所述水箱内的载物台，水箱安置在三维移动工作台上，水箱上方安装有激光空化装置，激光空化装置和三维移动工作台均与计算机连接，材料上安装有电压传感器检测装置，电压传感器检测装置通过数据处理装置与计算机连接。激光束与水产生空化效应时，诱导产生空化泡，空化泡溃灭后产生的高压冲击波和微射流会对工件产生洗材料表面微纳米颗粒的作用；与此同时，空泡表面形成一个压力梯度，这个压力梯度会趋势空泡向靶材运动，使得材料表面产生压力的变化，本发明将工件表面压力的变化作为特征参量来判断激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的效果。使测量结果更佳便捷准确。

Description

一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置和方法，适用于利用激光对工件表面的附着的微纳米颗粒进行清洗的技术领域。

背景技术

激光空化原理与激光冲击液体介质中靶材类似，不同之处是激光空化不是用激光直接聚焦到材料表面，而是在材料上方一段距离，当激光能量足够高时，就会产生“激光空化”现象，即在激光能量作用下，达到击穿阈值，会在液体中激发出一个小的气泡即空泡，随着能量的聚集，在空泡内外形成压力差，正是由于压力差的存在，空泡会向四周液体方向膨胀，当气泡膨胀到一定的程度，由于泡内压力降低周围液体就会向泡内聚集压缩空泡，又会导致泡内压力变大，受惯性作用影响，空泡被压缩至最小半径，这个过程为空泡的第一次脉动过程并产生冲击波，对附近靶材上的附着物进行清洗；压缩之后的空泡还会再一次进行脉动过程，释放冲击波，随着能量的衰减空泡最终就会发生溃灭。同时，由于固体靶材的限制，空泡不能进行对称膨胀，靠近靶材的地方运动速度降低，导致在空泡表面形成一个压力梯度，这个压力梯度会趋势空泡向靶材运动，即趋壁效应，由于空泡在运动的过程中溃灭，产生了朝向靶材表面的冲击波和微射流，对材料表面进行清洗。

利用激光空化对金属表面微纳米颗粒进行清洗对材料表面后续加工具有重要意义，而目前关于这方面的方法和装置的相关文献和专利尚未检索到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置和方法，为材料表面的后续加工处理提供条件和基础。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，包括水槽，所述水槽安装在三轴移动工作台上，所述水槽底部装有夹紧装置，所述夹紧装置上固定有工件，所述工件的表面两侧安装有压力传感器，所述压力传感器通过数据处理装置与计算机连接；所述水槽的上方设置有激光空化系统，所述激光空化系统均与计算机连接。

上述方案中，所述三轴移动工作台与所述计算机连接。

上述方案中，所述水槽的侧壁上安装有排水管和进水管，所述排水管与液体箱连通，液体泵通过所述进水管将所述液体箱内的液体抽送到所述水槽内。

上述方案中，所述液体泵与所述计算机连接。

上述方案中，述激光空化系统包括聚焦透镜、半凸透镜、半凹透镜、聚焦全反镜、YAG激光器和YAG激光器控制器，所述YAG激光器控制器与所述计算机连接，所述YAG激光器控制器用来控制所述YAG激光器，所述YAG激光器发出的激光束穿过所述聚焦全反镜，后先穿过半凹透镜，然后穿过半凸透镜，经过扩束使得激光束变成准直平行的光束，最后通过聚焦透镜后在所述工件表面上方聚焦。

本发明还提供了一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

1）首先采用RCA清洗方法去除工件（6）表面的有机物，氧化物以及金属表面残留的其他离子，最后用去离子水多次冲洗工件的表面；2）将材料小试样工件固定在夹紧装置上，在工件上放置压力传感器于材料表面两端；3）通过计算机打开水泵抽出液体，使液体漫过水槽中的小试样，然后控制水泵的排量，保证水槽中的液体进行循环并保持容量一定；4）YAG激光器控制器用来控制所述YAG激光器，通过调节激光全反镜使得激光的光路进行改变，通过调整半凹透镜和半凸透镜使得激光束变成准直平行光束，再通过聚焦透镜将激光束聚焦于工件待清洗区域的上方；5）通过激光器控制器来调节激光器的参数，通过电脑调节三维移动平台以确定工件的受激光空化清洗的位置和焦点位置产生空泡的距离；6）脉冲激光每次对工件产生激光空化来清洗金属表面微纳米颗粒时，附着在工件表面的压力传感器都会采集到空泡溃灭而在工件表面产生压力的相应的数据，并通过数据处理装置进行处理，再传送到电脑中进行数据的分析，每次作用后通过扫描电镜拍摄经过激光空化之后工件相应表面的光学图像，通过调节激光的能量，激光脉冲的次数，以及激光聚焦点产生的空泡距离工件表面的距离，调节出最佳激光空化去除工件表面微纳米颗粒的参数，对应测量出当清除微纳米颗粒效果最好时材料表面压力传感器的数值作为标准值存入计算机中；7）根据工件的形状，通过计算机和数据处理器控制三维移动平台的作业行程，从而实现对整个工件进行激光空化清洗金属表面微纳米颗粒，在每次冲击后，金属表面压力传感器采集到的数据，经过数据处理器处理后，最终传入到计算机中，计算机与步骤6）的标准值进行比较，若检测值与标准值一致，则进行下一个脉冲的激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的操作；若检测值与标准值不一致，则通过计算机记录下该加工点的相应信息，等待整个金属工件加工完成后，再根据记录进行再加工。

上述方案中，计算机对所述压力传感器的数据采集采用对各个压力传感器的读数相加后进行求和平均。

本发明的有益效果：（1）利用压力传感器构成的压力传感系统,将激光空化去除材料表面微纳米颗粒效果转化为金属表面压力的数值变化，便于统一设置同一种材料清洗表面纳米颗粒的激光参数，离焦量以及激光次数等参数，使激光去除材料表面微纳米颗粒效果达到最佳，提高加工效率。（2）将上述各系统以及激光控制系统与计算机连接，通过计算机控制，提高了强化加工过程的效率、准确性和连续性。（3）该装置光路系统中采用了扩束镜装置，使得激光光束变成准直平行光束，能够获得高功率密度的小光斑，减少了激光能量的分散。（4）本发明将工件表面压力的变化作为特征参量来判断激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的效果。使测量结果更佳便捷准确。

附图说明

图1为实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒装置的示意图

图中：1、计算机；2、数据处理装置；3、水槽；4、压力传感器；5、空泡；6、工件；7、夹紧装置；8、三维移动平台；9、液体箱；10、排水管；11、进水管；12、液体泵；13、聚焦透镜；14、半凸透镜；15、半凹透镜；16、全反镜；17、激光束；18、YAG激光器；19、YAG激光器控制器。

具体实施方式

下面结合图1对本装置作进一步详细的说明。

如图1所示，一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，包括计算机1；数据处理装置2；水槽3；压力传感器4；空泡5；工件6；夹紧装置7；三维移动平台8；液体箱9；排水管10；进水管11；液体泵12；聚焦透镜13；半凸透镜14；半凹透镜15；全反镜16；激光束17、YAG激光器18；YAG激光器控制器19。其中压力传感器4通过数据处理装置2与计算机连接，液体泵2、三维移动平台8和YAG激光器控制器19也都与计算机1连接。所述水槽3中装有液体，通过进水管11、液体泵12、排水管10、液体箱9实现液体高度的调节；所述水槽3中装有夹紧装置7以及安装在夹紧装置7上的工件6，在工件6两侧安装压力传感器4；在所述水槽3上方有扩束装置半凸透镜14和半凹透镜15、全反镜16，在水平方向有YAG激光器18，其中激光束17通过所述全反镜16和扩束装置半凸透镜14、半凹透镜15和全反镜16在工件6表面上方聚焦，产生空泡5；计算机1、数据处理装置2以及YAG激光器控制器19实现整个装置中参数的反馈和控制。

实施例：在夹紧装置上安硅片，硅片放置在装有去离子水的容器中，通过三维移动平台8控制硅片的移动，调节激光聚焦在硅片表面上侧，其中脉冲Nd:YAG激光器的工艺参数为：输出波长1.06μm，脉宽10ns。利用计算机1通过液体泵12向水槽3中注水，控制水泵12的排量，保证水槽3中的液体进行循环并保持容量一定；

通过激光器控制器19来调节激光器18的参数，通过电脑1调节三维移动平台8以确定工件6的受激光空化清洗的位置和焦点位置产生空泡5的距离；脉冲激光17每次对硅片产生激光空化来清洗金属表面微纳米颗粒时，附着在硅片表面的压力传感器4都会采集到空泡溃灭而在硅片表面产生压力的相应的数据，并通过数据处理装置2进行处理，再传送到电脑1中进行数据的分析，每次作用后通过扫描电镜拍摄经过激光空化之后工件6相应表面的光学图像，通过调节激光的能量，激光脉冲的次数，以及激光聚焦点产生的空泡5距离工件6表面的距离，调节出最佳激光空化去除工件6表面微纳米颗粒的参数，对应测量出当清除微纳米颗粒效果最好时材料表面压力传感器4的数值作为标准值存入计算机1中；当激光能量过高时，会造成基底材料的损伤，当激光焦点位置距离材料表面过大时清洗的效率会大大降低，通过实验我们设定激光焦点距离硅片1mm，脉冲激光能量设置为200mJ，每一次的脉冲数为3，扫描间距0.5mm。

Claims (7)

1.一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，其特征在于，包括水槽（3），所述水槽（3）安装在三轴移动工作台（8）上，所述水槽（3）底部装有夹紧装置（7），所述夹紧装置（7）上固定有工件（6），所述工件（6）的表面两侧安装有压力传感器（4），所述压力传感器（4）通过数据处理装置（2）与计算机（1）连接；所述水槽（3）的上方设置有激光空化系统，所述激光空化系统均与计算机（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，其特征在于，所述三轴移动工作台（8）与所述计算机（1）连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，其特征在于，所述水槽（3）的侧壁上安装有排水管（10）和进水管（11），所述排水管（10）与液体箱（9）连通，液体泵（12）通过所述进水管（11）将所述液体箱（9）内的液体抽送到所述水槽（3）内。

4.根据权利要求3所述的一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，其特征在于，所述液体泵（12）与所述计算机（1）连接。

5.根据权利要求3所述的一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的装置，其特征在于，所述激光空化系统包括聚焦透镜（13）、半凸透镜（14）、半凹透镜（15）、聚焦全反镜（16）、YAG激光器（18）和YAG激光器控制器（19），所述YAG激光器控制器（19）与所述计算机（1）连接，所述YAG激光器控制器（19）用来控制所述YAG激光器（18），所述YAG激光器（18）发出的激光束（17）穿过所述聚焦全反镜（16），后先穿过半凹透镜（15），然后穿过半凸透镜（14），经过扩束使得激光束变成准直平行的光束，最后通过聚焦透镜（13）后在所述工件（6）表面上方聚焦。

6.一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的方法，包括如下步骤：

1）首先采用RCA清洗方法去除工件（6）表面的有机物，氧化物以及金属表面残留的其他离子，最后用去离子水多次冲洗工件（6）的表面；

2）将材料小试样工件（6）固定在夹紧装置（7）上，在工件（6）上放置压力传感器（4）于材料表面两端；

3）通过计算机（1）打开水泵（12）抽出液体，使液体漫过水槽（3）中的小试样，然后控制水泵（12）的排量，保证水槽（3）中的液体进行循环并保持容量一定；

4）YAG激光器控制器（19）用来控制所述YAG激光器（18），通过调节激光全反镜（16）使得激光的光路进行改变，通过调整半凹透镜（15）和半凸透镜（14）使得激光束变成准直平行光束，再通过聚焦透镜（13）将激光束聚焦于工件（6）待清洗区域的上方；

5）通过激光器控制器（19）来调节激光器（18）的参数，通过电脑(1) 调节三维移动平台（8）以确定工件（6）的受激光空化清洗的位置和焦点位置产生空泡（5）的距离；

6）脉冲激光（17）每次对工件（6）产生激光空化来清洗金属表面微纳米颗粒时，附着在工件（6）表面的压力传感器（4）都会采集到空泡溃灭而在工件（6）表面产生压力的相应的数据，并通过数据处理装置（2）进行处理，再传送到电脑（1）中进行数据的分析，每次作用后通过扫描电镜拍摄经过激光空化之后工件（6）相应表面的光学图像，通过调节激光的能量，激光脉冲的次数，以及激光聚焦点产生的空泡（5）距离工件（6）表面的距离，调节出最佳激光空化去除工件（6）表面微纳米颗粒的参数，对应测量出当清除微纳米颗粒效果最好时材料表面压力传感器（4）的数值作为标准值存入计算机（1）中；

7）根据工件（6）的形状，通过计算机（1）和数据处理器（2）控制三维移动平台（8）的作业行程，从而实现对整个工件（6）进行激光空化清洗金属表面微纳米颗粒，在每次冲击后，金属表面压力传感器（4）采集到的数据，经过数据处理器（2）处理后，最终传入到计算机（1）中，计算机与步骤6）的标准值进行比较，若检测值与标准值一致，则进行下一个脉冲的激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的操作；若检测值与标准值不一致，则通过计算机记录下该加工点的相应信息，等待整个金属工件加工完成后，再根据记录进行再加工。

7.根据权利要求6所述的一种实现激光空化清洗材料表面微纳米颗粒的方法，其特征在于，计算机（1）对所述压力传感器（4）的数据采集采用对各个压力传感器（4）的读数相加后进行求和平均。