CN111992543A - 一种激光等离子体光丝清洗法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光等离子体光丝清洗法，涉及激光清洗领域。本激光等离子体光丝清洗法利用强飞秒激光经聚焦透镜平行射入空气中，形成光丝，通过将光丝平行射入基体表面，利用光丝的光强能量与力学效应去除基体表面的微粒。基体表面微粒吸收光丝能量而膨胀破碎，并在等离子体光丝的热力学作用下去除，实现基体表面微粒的移除。该方法既可保留激光等离子体冲击波清洗技术的优点，同时凭借强飞秒激光等离子体光丝的长程性，可大幅增加有效清洗区域面积，提高清洗质量与效率，不损伤基体基体，不影响表面微观态。同时，光丝的高峰值光强及超快稳定传输，具有高效去除基体表面超细微粒沾污的能力，能满足实际生产需求。

Description

一种激光等离子体光丝清洗法

技术领域

本发明涉及激光清洗领域，具体涉及一种激光等离子体光丝清洗法。

背景技术

激光清洗是基于传统清洗法的局限基础上迅速发展起来的清洗新技术，与传统的清洗方法(化学清洗、机械清洗、超声波清洗、兆声波清洗等)相比，激光清洗具有绿色节能环保、无污染、适应广、可控性好、可精确定位、可实现远程及复杂结构清洗、为在线清洗带来可能等优点。目前，激光清洗技术主要分为激光干式清洗法、激光湿式清洗法和激光冲击波清洗。

激光干式清洗法是将高能量的激光束聚焦后直接照射到物体被污染的部位，使被照射的微粒或基体发生振动、熔化、燃烧等一系列复杂的物理化学过程，从而使微粒沾污脱离物体表面，最终实现物体表面微粒沾污的去除(其原理如图1所示)。

与激光干式清洗法相比，激光湿式清洗法主要是靠界面处的沸腾压强实现对微粒的清除(其原理如图2所示)，液膜的出现加强了激光的清洗效果，可以用更小的能量，更少的脉冲清除更小尺寸的微粒，具有更高的清洗效率。

激光等离子体冲击波清洗是利用平行入射激光诱导与击穿介质产生的等离子体冲击波的力和能量将基体表面的污染微粒移除(其原理如图3所示)。该清洗技术不直接接触基体，对基体表面无机械力作用，不损伤基体基体，在去除基体表面微细颗粒上有一定的优势。

现有技术存在以下技术问题。

激光干式清洗虽然能有效的清除小微粒，但存在清洗效率低、过度辐照易导致基体基体损坏、表面混合微粒对激光波长选择困难等问题。此外，激光干式清洗法在微粒-基体接触面附近，由于存在光致近场效应，很容易造成基体表面的损伤。

激光湿式清洗过程中由于液膜迅速汽化，产生高瞬态压力或空泡，极易直接损伤基体材料，另外，基体表面液膜厚度一致性的控制较为困难，且液膜的引入易造成新的污染或缺陷。同时，也存在着激光波长选择的问题。这使得激光干式清洗和激光湿式清洗的应用受到极大的限制。

激光冲击波衰减速度快、传输距离短而清洗效率低，无法满足工业生产要求。同时，该方法在有效去除基体表面纳米微粒沾污方面还有很大的局限性。这使得其在基体表面超精密清洗的应用中受到了一定的限制。此外，当基体表面微粒的粒径小于0.01μm时，微粒同基体表面之间具有极强的粘附力，微粒尺寸越小，其清洗难度也越大。显然，传统的清洗方法及现有激光清洗手段很难克服微粒沾污与基体基体间的粘附力实现对微粒的去除，且清洗效率低无法满足工业生产要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有工件表面清洗技术存在容易造成基体表面的损伤、清洗效率低的问题。

为实现本发明目的，发明人提出一种强飞秒激光等离子体光丝清洗基体表面微粒沾污的新方法。强飞秒激光在空气介质中传输时，由于克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应共同作用，而形成很长的、较为稳定的、具有高峰值光强的激光等离子体通道，即光丝。通过将光丝平行入射基体表面，利于光丝的光强能量与力学效应实现基体表面微粒的移除，其原理如图4所示。本发明的方案具体如下。

一种激光等离子体光丝清洗法，利用强飞秒激光经聚焦透镜平行射入空气中，形成光丝，通过将光丝平行射入基体表面，利用光丝的光强能量与力学效应去除基体表面的微粒。基体表面微粒吸收光丝能量而膨胀破碎，并在等离子体光丝的热力学作用下去除。

该光丝清洗法包括以下步骤：

步骤A：将强飞秒激光经过聚焦透镜平行入射于空气中，产生等离子体光丝；使用马赫曾德激光干涉仪对空气中的强飞秒激光等离子体成丝过程进行测量分析，得到马赫曾德干涉图；利用傅利叶变换和相位解缠算法对马赫曾德干涉图进行处理，获取激光成丝等离子体的阴影图像和电离波前速度，进而确定光丝通道等离子体电子密度分布及变化规律、芯径大小及长度；

步骤B：采用激光扫描共聚焦显微镜测量光丝截面的特征参数并结合马赫曾德干涉仪在光丝横截面的成像法对等离子体光丝进行诊断，采用偏光显微镜观察光丝的局部特征，获得光丝的动态特征信息参数；所述动态特征信息参数包括光丝的形成位置、空间结构、光强分布与演化、内部电子密度；

步骤C：将表面吸附有微粒的基体安置于光丝附近，基体表面平行于光丝入射方向；

步骤D：根据获得的光丝动态特征信息参数，确定光丝的几何尺寸，调整等离子体光丝至基体表面的距离，使等离子体光丝作用于微粒上，持续至基体表面微粒被有效去除。

其中，步骤D中，所述使等离子体光丝作用于微粒上：可以是使光丝直接入射在微粒上，利于光丝的光强能量与力学效应去除基体表面的微粒；还可以是调整光丝与微粒至合适的距离，通过光丝的热力学作用除去部分微粒。

进一步地，步骤D还包括：根据获得的光丝动态特征信息参数，确定光丝的热力学参数，监测不同激光能量下光丝对不同微粒的清洗力，根据监测结果，依据污物成分与粒径大小选择合适的激光能量和基体相对于光丝的移动速度。

优选地，所述基体的材料可以是硅、玻璃、金属或陶瓷，也可以是其它适用的非金属材料。

进一步地，所述微粒包括油污、金属离子、基体氧化物、基体锈蚀颗粒，以及其他有机污染物等。

进一步地，步骤D中，所述调整等离子体光丝至基体表面的距离，使等离子体光丝作用于微粒上，持续至基体表面微粒被有效去除，具体包括以下步骤：

步骤D1：将所述基体放置在载物台上，同时在载物台上放置一片垂直于光丝入射方向的铝箔；

步骤D2：铝箔固定，光丝入射并穿透铝箔，在铝箔上形成一小孔，小孔中心位置并为光丝中心位置，然后确定光丝中心位置距基体表面的距离为光丝作用距离；

步骤D3：保持光丝不动，通过微调载物台实现不同的光丝作用距离；

步骤D4：基体上方放置光学显微镜，同时连接ICCD相机进行实时高速拍摄，不断缩短光丝作用距离至光学显微镜下观测到基体表面微粒被有效去除且未出现焦斑、沟槽等损伤缺陷。

本发明的有益效果是：激光等离子体光丝清洗技术是基于激光等离子体成丝理论与现象及激光等离子体冲击波清洗技术衍生出来的清洗前沿新技术，该方法既可保留激光等离子体冲击波清洗技术的优点，同时凭借强飞秒激光等离子体光丝的长程性，可大幅增加有效清洗区域面积，提高清洗质量与效率，不损伤基体基体，不影响表面微观态。同时，光丝的高峰值光强及超快稳定传输，具有高效去除基体表面超细微粒沾污的能力，能满足实际生产需求，可避免化学清洗带来的环境污染问题，为绿色环保的清洗技术。

附图说明

图1是背景技术中引用的现有激光干式清洗原理示意图。

图2是背景技术中引用的现有激光湿式清洗原理示意图。

图3是背景技术中引用的现有激光冲击波清洗原理示意图。

图4是本发明的激光等离子体光丝清洗原理示意图。

图5是本发明的激光等离子体光丝清洗流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的实施例作进一步描述。

实施例

请参阅图4，为本实施例提供的一种激光等离子体光丝清洗法的原理示意图。本光丝清洗法利用强飞秒激光经聚焦透镜平行射入空气中，在克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应共同作用下产生一束等离子体光丝。通过将光丝平行射入待清洗的基体表面，利用光丝的光强能量与力学效应去除基体表面的微粒。基体表面微粒吸收光丝能量而膨胀破碎，并在等离子体光丝的热力学作用下去除。在其中一个实施例中，基体为硅片。在其他实施例中，基体的材料还可以是玻璃、金属或陶瓷，也可以是其它适用的非金属材料。

其中，所述微粒包括油污、金属离子、基体氧化物、基体锈蚀颗粒，以及其他有机污染物等。

本实施例的光丝清洗法，去污精度与效率高，不损伤工件表面。

请参阅图5，为本实施例的光丝清洗法的流程图，该光丝清洗法包括以下步骤A、B、C和D：

步骤A：将强飞秒激光经过聚焦透镜平行入射于空气中，在克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应共同作用下产生一束等离子体光丝；使用马赫曾德激光干涉仪对空气中的强飞秒激光等离子体成丝过程进行测量分析，得到马赫曾德干涉图；利用傅利叶变换和相位解缠算法对马赫曾德干涉图进行处理，获取激光成丝等离子体的阴影图像和电离波前速度，进而确定光丝通道等离子体电子密度分布及变化规律、芯径大小及长度。

步骤B：采用激光扫描共聚焦显微镜测量光丝截面的特征参数并结合马赫曾德干涉仪在光丝横截面的成像法对等离子体光丝进行诊断，采用偏光显微镜观察光丝的局部特征，获得光丝的动态特征信息参数；所述动态特征信息参数包括光丝的形成位置、空间结构、光强分布与演化、内部电子密度等。

需要说明的是，步骤A和步骤B测量得到的光丝参数，可以推断光丝的几何尺寸和热力学性能，便于调控光丝的作用位置，同时也通过这些参数反馈不同激光能量下的光丝清洗力，便于优化清洗参数。不测量这些参数，只通过调整激光功率、清洗速度等也可以实现激光清洗。

步骤C：将表面吸附有微粒的基体安置于光丝附近，基体表面平行于光丝入射方向。

步骤D：根据获得的光丝动态特征信息参数，确定光丝的几何尺寸，调整等离子体光丝至基体表面的距离，使等离子体光丝作用于微粒上，持续至基体表面微粒被有效去除。

其中，步骤D中，所述使等离子体光丝作用于微粒上：可以是使光丝直接入射在微粒上，利于光丝的光强能量与力学效应去除基体表面的微粒；还可以是调整光丝与微粒至合适的距离，通过光丝的热力学作用除去部分微粒。

在其中一个优选实施例中，步骤D还包括：根据获得的光丝动态特征信息参数，确定光丝的热力学参数，监测不同激光能量下光丝对不同微粒的清洗力，根据监测结果，依据污物成分与粒径大小选择合适的激光能量和基体相对于光丝的移动速度。

在其中一个优选实施例中，具体的，步骤D中，所述调整等离子体光丝至基体表面的距离，使等离子体光丝作用于微粒上，持续至基体表面微粒被有效去除，具体可以通过步骤实现：

步骤D1：将所述基体放置在三维高精度线性移动载物台上，同时在载物台上放置一片垂直于光丝入射方向的铝箔；

步骤D2：铝箔固定，光丝入射并穿透铝箔，在铝箔上形成一小孔，小孔中心位置并为光丝中心位置，然后确定光丝中心位置距基体表面的距离为光丝作用距离；其中，铝箔可以放在光丝入射基体之前的路径上，也可以放置在光丝入射基体之后的路径上；

步骤D3：保持光丝不动，通过微调载物台实现不同的光丝作用距离；

步骤D4：基体上方放置光学显微镜，同时连接ICCD相机进行实时高速拍摄，不断缩短光丝作用距离至光学显微镜下观测到基体表面微粒被有效去除且未出现焦斑、沟槽等损伤缺陷。

进一步地，步骤D后还可以进行步骤E，如下：

步骤E：优化工艺参数，实现基体表面纳米级微粒高效无损伤去除，形成运行快速的激光等离子体光丝清洗新方法。

以上实施例仅用以示例性的说明本发明的技术方案，而非对本发明要求保护的范围进行限制，基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的实质，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种激光等离子体光丝清洗法，其特征在于：利用强飞秒激光经聚焦透镜平行射入空气中，形成光丝，通过将光丝平行射入基体表面，利用光丝的光强能量与力学效应去除基体表面的微粒。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体光丝清洗法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：将强飞秒激光经过聚焦透镜平行入射于空气中，产生等离子体光丝；使用马赫曾德激光干涉仪对空气中的强飞秒激光等离子体成丝过程进行测量分析，得到马赫曾德干涉图；利用傅利叶变换和相位解缠算法对马赫曾德干涉图进行处理，获取激光成丝等离子体的阴影图像和电离波前速度，进而确定光丝通道等离子体电子密度分布及变化规律、芯径大小及长度；

步骤B：采用激光扫描共聚焦显微镜测量光丝截面的特征参数并结合马赫曾德干涉仪在光丝横截面的成像法对等离子体光丝进行诊断，采用偏光显微镜观察光丝的局部特征，获得光丝的动态特征信息参数；所述动态特征信息参数包括光丝的形成位置、空间结构、光强分布与演化、内部电子密度；

步骤C：将表面吸附有微粒的基体安置于光丝附近，基体表面平行于光丝入射方向；

步骤D：根据获得的光丝动态特征信息参数，确定光丝的几何尺寸，调整等离子体光丝至基体表面的距离，使等离子体光丝平行入射于微粒上，持续至基体表面微粒被有效去除。

3.根据权利要求2所述的激光等离子体光丝清洗法，其特征在于，

步骤D还包括：根据获得的光丝动态特征信息参数，确定光丝的热力学参数，监测不同激光能量下光丝对不同微粒污物的清洗力，根据监测结果，依据污物成分与粒径大小选择合适的激光能量和基体相对于光丝的移动速度。

4.根据权利要求2所述的激光等离子体光丝清洗法，其特征在于，所述基体的材料为硅、玻璃、金属或陶瓷。

5.根据权利要求2所述的激光等离子体光丝清洗法，其特征在于，所述微粒包括油污、金属离子、基体氧化物和基体锈蚀颗粒。

6.根据权利要求2所述的激光等离子体光丝清洗法，其特征在于，步骤D中，所述调整等离子体光丝至基体表面的距离，使等离子体光丝平行入射于微粒上，持续至基体表面微粒被有效去除，具体包括以下步骤：

步骤D1：将所述基体放置在载物台上，同时在载物台上放置一片垂直于光丝入射方向的铝箔；

步骤D2：铝箔固定，光丝入射并穿透铝箔，在铝箔上形成一小孔，小孔中心位置并为光丝中心位置，然后确定光丝中心位置距基体表面的距离为光丝作用距离；

步骤D3：保持光丝不动，通过微调载物台实现不同的光丝作用距离；

步骤D4：基体上方放置光学显微镜，同时连接ICCD相机进行实时高速拍摄，不断缩短光丝作用距离至光学显微镜下观测到基体表面微粒被有效去除且未出现焦斑、沟槽等损伤缺陷。

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