CN109590288B - 激光清洗透光介质透射面杂质的方法 - Google Patents

激光清洗透光介质透射面杂质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光技术。本发明解决了目前激光清洗技术仅应用在清洗物体被激光照射的前表面的问题，提供了一种激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其技术方案可概括为：确定待清洗透明介质的物理参数，根据其物理参数选择对应的高透过率波段，再确定待清洗透明介质透射面上的杂质，根据杂质对光波长的吸收率曲线，从确定的高透过率波段中选择出杂质吸收率高的波长，该波长即为激光清洗时的激光波长，选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗。本发明的有益效果是：简单实用，适用于激光清洗透光介质透射面杂质。

Description

激光清洗透光介质透射面杂质的方法
技术领域
本发明涉及激光技术，特别涉及激光清洗的技术。
背景技术
激光清洗技术是利用激光与物质通过直接或者间接的相互作用,将污染物从待清洗物体表面去除,来达到清洗的目的。激光清洗具有清洗效果佳、应用范围广、精度高、非接触和可达性好等优势，与清洗剂、超声波和机械方式的清洗方法形成鲜明对照，被认为是最可靠、最有效的解决办法，成为21世纪最具发展潜力的绿色清洗技术。国内外对激光清洗的研究很多，但这些方法都是激光作用于待清洗物体前表面，对于清洗透光介质后表面杂质的技术鲜有研究。对于某些特殊环境下，如在室内清洗高空玻璃外表面时，无法直接接触待清洗面时，前表面激光清洗技术不能满足要求。所以，需求简单、实用、可操作的针对清洗玻璃后表面的技术和方法变得非常迫切。
发明内容
本发明的目的是要解决目前激光清洗技术仅应用在清洗物体被激光照射的前表面的问题，提供了一种激光清洗透光介质透射面杂质的方法。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，应用于清洗透明介质的透射面，设透明介质面向激光光源的外表面为入射面，其相对应的另一外表面为透射面，包括以下步骤：
步骤1、确定待清洗透明介质的物理参数，根据其物理参数选择对应的高透过率波段；
步骤2、确定待清洗透明介质透射面上的杂质，根据杂质对光波长的吸收率曲线，从步骤1中确定的高透过率波段中选择出杂质吸收率高的波长，该波长即为激光清洗时的激光波长；
步骤3、选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗。
具体的，为进一步明确所需参数，则步骤1中，所述物理参数包括待清洗透明介质的透光率、折射率及其厚度；所述高透过率波段是指透光率大于70％的波段。
进一步的，步骤2中，当需要去除的杂质是多种时，针对每一种杂质选择不同的激光波长。
具体的，为方便操作简化计算，步骤3中，所述选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点的方法可以为：令激光光束首先以低功率点状激光聚焦后穿过待清洗透明介质透射至杂质底部，然后逐渐增大激光输出功率，并调节激光作用焦点与杂质之间的空间关系，直至该杂质被有效去除。
再进一步的，为提升清洗效率，则步骤3中，所述对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗时，具体为：使点状激光变更为线状激光输出，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗。
具体的，所述使点状激光变更为线状激光输出的方法可采用多种现有方式，如：利用扫描振镜将点状激光变更为线状激光、或利用自动化装置搭配导光臂实现机械扫描、或利用达曼光栅实现点状激光变更为线状激光、或设计透镜实现椭圆光斑变更为长轴椭圆光斑。
具体的，为精确选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率，提高清洗效率，则步骤3中，所述选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率的方法可以为：根据所确定待清洗透明介质的透射面上的杂质，获取杂质的吸收系数、杂质的半径、杂质的单位体积比热容、杂质的汽化点温度、当前环境温度、待清洗透明介质对光的吸收系数及待清洗透明介质从入射面至透射面的厚度，计算得到入射激光的最佳光强值，并根据入射激光的最佳光强值得出激光输出功率。
再进一步的，为提出一种计算得到入射激光的最佳光强值的计算公式，则所述计算得到入射激光的最佳光强值的计算公式为：
Figure BDA0001883319440000021
其中，η为杂质的吸收系数，R为杂质的半径，CV为杂质的单位体积比热容，TG为杂质的汽化点温度，T0为获取当前环境温度，α为待清洗透明介质对光的吸收系数，l为待清洗透明介质从入射面至透射面的厚度，Iin为入射激光的最佳光强值。
再进一步的，所述激光由激光器发出；所述聚焦采用透镜进行聚焦。此均为现有技术，此处不再详述。上述方法可应用于多种透明介质，如玻璃等。上述方法也可应用于去除多种杂质，但优选为不透光杂质，如泥土和/或鸟类排泄物和/或油漆等。
本发明的有益效果是，通过上述激光清洗透光介质透射面杂质的方法，可以实现使工作人员位于透明介质的入射面附近而清洗透明介质透射面的目的，从而实现诸如对高空玻璃等的清洗，此时由于工作人员不再需要位于大楼或大厦外，极大提升安全性，当然，其也可应用于室内各场合的透明介质透射面的清洗，如靠墙的玻璃幕墙等不方便的地方。
附图说明
图1为本发明中激光清洗透光介质透射面杂质时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
本发明所述激光清洗透光介质透射面杂质的方法，应用于清洗透明介质的透射面，设透明介质面向激光光源的外表面为入射面，其相对应的另一外表面为透射面，激光清洗透光介质透射面杂质时的示意图参见图1，包括以下步骤：
步骤1、确定待清洗透明介质的物理参数，根据其物理参数选择对应的高透过率波段；
步骤2、确定待清洗透明介质透射面上的杂质，根据杂质对光波长的吸收率曲线，从步骤1中确定的高透过率波段中选择出杂质吸收率高的波长，该波长即为激光清洗时的激光波长；
步骤3、选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗。
其中，为进一步明确所需参数，则步骤1中，物理参数包括待清洗透明介质的透光率、折射率及其厚度等；而高透过率波段优选为透光率大于70％的波段。
优选的，步骤2中，当需要去除的杂质是多种时，针对每一种杂质选择不同的波长。这样可尽量保证清洗时不损伤待清洗透明介质本身，而仅仅只针对杂质。
为方便操作简化计算，步骤3中，选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点的方法可以为：令激光光束首先以低功率点状激光聚焦后穿过待清洗透明介质透射至杂质底部，然后逐渐增大激光输出功率，并调节激光作用焦点与杂质之间的空间关系，直至该杂质被有效去除，这里，低功率点状激光可以从零输出功率开始，也可以根据工作人员的估算值开始。
为提升清洗效率，则步骤3中，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗时，具体为：使点状激光变更为线状激光输出，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗。
而使点状激光变更为线状激光输出的方法可采用多种现有方式，如：利用扫描振镜将点状激光变更为线状激光、或利用自动化装置搭配导光臂实现机械扫描、或利用达曼光栅实现点状激光变更为线状激光、或设计透镜实现椭圆光斑变更为长轴椭圆光斑。
为精确选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率，提高清洗效率，则步骤3中，选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率的方法可以为：根据所确定待清洗透明介质的透射面上的杂质，获取杂质的吸收系数、杂质的半径、杂质的单位体积比热容、杂质的汽化点温度、当前环境温度、待清洗透明介质对光的吸收系数及待清洗透明介质从入射面至透射面的厚度，计算得到入射激光的最佳光强值，并根据入射激光的最佳光强值得出激光输出功率。
为提出一种计算得到入射激光的最佳光强值的计算公式，则所述计算得到入射激光的最佳光强值的计算公式为：
Figure BDA0001883319440000041
其中，η为杂质的吸收系数，R为杂质的半径，CV为杂质的单位体积比热容，TG为杂质的汽化点温度，T0为获取当前环境温度，α为待清洗透明介质对光的吸收系数，l为待清洗透明介质从入射面至透射面的厚度，Iin为入射激光的最佳光强值。
本发明中，激光可由激光器发出；聚焦可采用透镜进行聚焦。此均为现有技术，此处不再详述。上述方法可应用于多种透明介质，如玻璃等。上述方法也可应用于去除多种杂质，但优选为不透光杂质，如泥土和/或鸟类排泄物和/或油漆等。
依据本发明中步骤1及步骤2的原则，在一般的石英(玻璃)材料中，清洗常见的不透光杂质，如泥土、鸟类排泄物、油漆等，选择红外波段的波长分别可以为1064nm、1310nm及1550nm。
其原理如下：
本方法主要利用热致电离蒸发和热应力剥离的机理。
其中，热应力剥离法：主要应用于较大块的如泥块及油漆面等由小颗粒粘结成块的杂质，在激光聚焦后，将焦点置于体积较大的杂质中心区域，由于焦点所位于的杂质中心处由较高的能量密度产生较高的温度，则杂质中心区域的温度迅速升高，而在短时间内大块杂质的边缘区域以及与待清洗透明介质透射面接触的底部区域温度较低，在整块杂质上便产生了各个方向上的温度梯度，温度梯度又导致杂质内部产生强大的热应力，从而导致杂质破碎，并于透射面向激光传输方向微微隆起，在杂质底部(与透射面接触的位置)与透射面之间形成空隙，在下一个激光脉冲到达空隙处后，空隙处的空气会吸收能量而迅速膨胀，进而弹飞已经破碎的杂质，使大块杂质脱离透射面，而未脱离的小块杂质则由后续激光脉冲由热致电离蒸发继续去除。
热致电离蒸发：主要应用于对激光波长吸收率较高、沸点较低且分散分布及体积较小的杂质，如泥点、铁锈点、油漆点及油渍点等，以下以杂质微粒进行描述：
在透明介质的透射面上，杂质微粒吸收激光，会引起自身的温升；随着激光脉冲能量的增加，杂质微粒的整体温升会随之增加，其最高温度依次超过杂质本身的熔点和汽化点。
当杂质微粒的温度达到熔点时，杂质微粒将发生熔化，熔化的结果是有液态物质的产生，使得杂质微粒的黏附力增加，这样使杂质微粒更难去除；当杂质微粒的温度达到汽化点时，杂质微粒将发生汽化，这样就会剧烈向外膨胀，克服杂质微粒与透明介质的附着力而脱离，达到干净清洗透明介质的效果；如果进一步增强激光光强，则杂质微粒极易发生电离，这样就会强烈吸收后续的激光能量而产生高温高压等离子体。等离子体会向外猛烈扩散，形成冲击波，而且具有高温效应，造成透明介质的损伤和破坏，影响透明介质的清洗效果。所以当激光脉冲强度达到微粒的汽化点附近的温度是最佳条件。
设η是杂质的吸收系数，I是激光辐照功率，R是杂质粒子的半径，Cv是杂质的单位体积比热容，TG是杂质微粒汽化点温度，T0是环境温度。
则杂质微粒对激光能量吸收量为：
Q＝η·I·(4πR2)
杂质微粒升温后的温度为：
Figure BDA0001883319440000051
则当杂质微粒的温度等于其汽化点温度时，所用辐照的激光光强的要求为：
Figure BDA0001883319440000052
考虑到玻璃等透明介质本身对激光光强的吸收，在入射面输入的激光光强应稍微增加。假设透明介质对光的吸收系数为ɑ，介质长度为l，则激光入射光强Iin和出射光强I的关系为：
Iin＝I·eαl
可以得到对入射激光的最佳光强值Iin为：
Figure BDA0001883319440000053
实施例
根据上述方法，本例以清洗高空玻璃(材料为二氧化硅)外表面(即后续的透射面)的泥土为例。
步骤1、确定待清洗透明介质的物理参数，根据其物理参数选择对应的透光率大于70％的波段：
根据玻璃(材料为二氧化硅)的透过率，确定其在200nm以上的波段为透光率大于70％的波段，即高透过率波段。
步骤2、确定待清洗透明介质透射面上的杂质，根据杂质对光波长的吸收率曲线，从步骤1中确定的高透过率波段中选择出杂质吸收率高的波长，该波长即为激光清洗时的激光波长：
根据泥土在红外波段为高吸收率波段，从而确认使用1064nm波长作为激光清洗时的激光波长，选择合适的激光器。
步骤3、选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗：
这里，令激光光束首先以低功率(可以从零输出功率开始，也可以根据工作人员的估算值开始)点状激光聚焦后穿过待清洗透明介质透射至杂质底部，然后逐渐增大激光输出功率，并调节激光作用焦点与杂质之间的空间关系(确定所需激光作用焦点)，直至该杂质被有效去除，此时可确定所需激光输出功率及激光作用焦点，然后根据上述确定的所需激光输出功率及激光作用焦点调节激光器为主的清洗仪器，使点状激光变更为线状激光输出，这里，以利用扫描振镜将点状激光变更为线状激光为例：设置扫描振镜的频率(一般为50-100Hz)以及扫描步长(一般为5cm)，根据扫描步长移动激光输出点，对高空玻璃外表面的泥土进行擦除式清洗。同理，若采用本发明中计算的方式，可直接确定所需激光输出功率，而激光作用焦点一般都是杂质与透射面接触那一面的中心点，其余步骤基本相同。

Claims (8)

1.激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，应用于清洗透明介质的透射面，设透明介质面向激光光源的外表面为入射面，其相对应的另一外表面为透射面，包括以下步骤：
步骤1、确定待清洗透明介质的物理参数，根据其物理参数选择对应的高透过率波段；
步骤2、确定待清洗透明介质透射面上的杂质，根据杂质对光波长的吸收率曲线，从步骤1中确定的高透过率波段中选择出杂质吸收率高的波长，该波长即为激光清洗时的激光波长；
步骤3、选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗；
所述选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率的方法为：根据所确定待清洗透明介质的透射面上的杂质，获取杂质的吸收系数、杂质的半径、杂质的单位体积比热容、杂质的汽化点温度、当前环境温度、待清洗透明介质对光的吸收系数及待清洗透明介质从入射面至透射面的厚度，计算得到入射激光的最佳光强值，并根据入射激光的最佳光强值得出激光输出功率；
所述计算得到入射激光的最佳光强值的计算公式为：
Figure FDA0002997271760000011
其中，η为杂质的吸收系数，R为杂质的半径，CV为杂质的单位体积比热容，TG为杂质的汽化点温度，T0为获取当前环境温度，α为待清洗透明介质对光的吸收系数，l为待清洗透明介质从入射面至透射面的厚度，Iin为入射激光的最佳光强值。
2.如权利要求1所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，步骤1中，所述物理参数包括待清洗透明介质的透光率、折射率及其厚度；所述高透过率波段是指透光率大于70％的波段。
3.如权利要求1所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，步骤2中，当需要去除的杂质是多种时，针对每一种杂质选择不同的激光波长。
4.如权利要求1所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，步骤3中，所述选择出能够令待清洗透明介质的透射面上的杂质被去除的激光输出功率及激光作用焦点的方法为：令激光光束首先以低功率点状激光聚焦后穿过待清洗透明介质透射至杂质底部，然后逐渐增大激光输出功率，并调节激光作用焦点与杂质之间的空间关系，直至该杂质被有效去除。
5.如权利要求4所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，步骤3中，所述对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗时，具体为：使点状激光变更为线状激光输出，对待清洗透明介质的透射面上的杂质进行清洗。
6.如权利要求5所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，所述使点状激光变更为线状激光输出的方法为：利用扫描振镜将点状激光变更为线状激光、或利用自动化装置搭配导光臂实现机械扫描、或利用达曼光栅实现点状激光变更为线状激光、或设计透镜实现椭圆光斑变更为长轴椭圆光斑。
7.如权利要求4-6任一项所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，所述聚焦采用透镜进行聚焦。
8.如权利要求1-6任一项所述的激光清洗透光介质透射面杂质的方法，其特征在于，所述激光由激光器发出；所述待清洗透明介质为玻璃；所述待清洗透明介质透射面的杂质为不透光杂质。
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