激光清洗劑的構(gòu)造

激光清洗劑的構(gòu)造

我們之前介紹了激光清洗的原理、分類和特點，以便全面了解激光清洗。在實際應(yīng)用中,需要一臺完整、可靠的激光清洗設(shè)備,即激光清洗機。它是激光技術(shù)和其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,是激光清洗技術(shù)的最終實物載體。目前國際上已經(jīng)出現(xiàn)了商用的激光清洗機。本文將一些公開報道的激光清洗設(shè)備進行了歸納、分析和總結(jié),對其基本構(gòu)造、工作原理以及已經(jīng)運用的部分激光清洗機予以介紹。1激光洗衣機的組成從嚴(yán)格的意義上來講,激光清洗機并沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的結(jié)構(gòu),它需要根據(jù)具體的清洗方式清洗對象、使用環(huán)境以及自動化程度等因素決定但是,分析一些已有的激光清洗機產(chǎn)品,可以發(fā)現(xiàn)它們在一些基本的結(jié)構(gòu)上還是大致相同的。一臺完整的激光清洗機一般要具備以下幾個部分:激光器系統(tǒng)、光束調(diào)整傳輸系統(tǒng)、移動平臺系統(tǒng)、實時監(jiān)測系統(tǒng)、半/全自動控制操作系統(tǒng)以及其它輔助系統(tǒng)。下面我們分別給予說明。1.1脈沖波長及重復(fù)頻率它是激光清洗機的核心部分,需要根據(jù)清洗對象和清洗方式來決定。激光器主要有CO2激光器,Ruby激光器,Nd∶YAG激光器,或準(zhǔn)分子激光器等,其參數(shù)主要有輸出波長,工作方式(脈沖、連續(xù)),脈沖長度(ms量級、μs量級、ns量級),重復(fù)頻率,輸出功率/能量。通常由實際清洗任務(wù)的需要來決定采用何種清洗方式,進而選擇所需要的激光器以及相應(yīng)的工作參數(shù)。具體的內(nèi)容我們在前面的章節(jié)中已經(jīng)詳細(xì)介紹過了。比如,對于脫漆,我們一般采用干式清洗法,可以選擇CO2激光器,它以連續(xù)方式工作,能使漆層受熱灼燒揮發(fā),它的功率一般較大(103W以上),可以獲得比較高的清洗效率,適用于清除面積比較大且對于清洗精度要求不是很高的漆層。1.2利用光學(xué)器件來傳輸激光束和光斑它一般是由一些特殊的光學(xué)元件組成,其目的是根據(jù)實際要求來調(diào)整激光器輸出激光的光斑形狀、大小、能量分布。盡管激光清洗機的使用范圍主要是由它所使用的激光器類型及工作方式?jīng)Q定的,然而對光束的控制也是決定激光清洗機的使用范圍和清洗效率的關(guān)鍵因素。由于激光器輸出的光束是高斯型的,這就造成在其輻射面積內(nèi),光束的能量密度并不是均勻分布的,中心附近的能量密度要高于周圍的能量密度許多,這樣在清洗樣品時就必須以中心附近的能量密度為基準(zhǔn),從而使周圍部分無法清除干凈造成了能量浪費,影響了清洗效率。如果我們使用光學(xué)器件使其能量均勻分布,甚至將光斑形狀變?yōu)榫匦?這樣就可以充分利用激光的能量,也就提高了清洗效率。對于同種類型的清洗方式和機制,當(dāng)激光器的功率/能量一定時,我們就可以根據(jù)被清洗污物或微粒的難易程度,簡單的通過調(diào)整光斑的面積來使輸出激光具有不同的能量密度,理論上我們可以將光斑變得很小,從而使其具有極高的清洗能力。有時為了將激光輸送到指定的清洗位置,可以采用光纖來傳輸激光束,它的優(yōu)點是適用范圍廣泛,操作方便靈活,輸出的光斑能量分布比較均勻;其缺點是會損失一些能量,當(dāng)傳輸距離較長時尤為明顯,同時輸出光斑的模式不夠穩(wěn)定。此外還可以采用導(dǎo)光臂來傳輸光束,它主要由透鏡和反射鏡組成,可以最大限度地保持光束的形狀。1.3被清洗物品的表征對于清洗效果要求較高的場合,一套穩(wěn)定、準(zhǔn)確的移動平臺系統(tǒng)是必不可少的。它是通過步進電機等驅(qū)動裝置來帶動清洗平臺移動的系統(tǒng),可以分為主動式與被動式。主動式是指將被清洗物品置于移動平臺上,激光器保持位置不動,通過移動平臺來清除樣品的各個位置,主要用于較小和便于拆卸的清洗部件;被動式正相反,被清洗物體不動,移動平臺帶動激光器或激光輸出端運動來進行清洗。根據(jù)被清洗物體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,清洗平臺的移動一般是二維或三維的,有的甚至可以旋轉(zhuǎn)或做其它復(fù)雜運動,同時移動的精度也不盡相同,有的步長可以精確到μm量級。當(dāng)然也可以采取由清潔人員手持激光輸出端來手動清洗,但比較危險,精度較低,一般當(dāng)被清洗物體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時,采用此方法來清洗一些不規(guī)則的部位。1.4監(jiān)測系統(tǒng)的分類這一部分主要用來在清洗過程中監(jiān)測被清洗污物的清除效果,并將監(jiān)測信息及時反饋給控制系統(tǒng),由其決定清洗過程是否繼續(xù)或終止。但是目前對于激光清洗的監(jiān)測還沒有一個公認(rèn)的比較有效、準(zhǔn)確且實用的方法?，F(xiàn)在使用的監(jiān)測系統(tǒng)大體可分為兩大類,一類是光檢測方法,即通過使用激光能量計或光譜儀等來測量清洗過程中的光信號(該光信號可以是另外一種比較弱的激光,而不是用于清洗的激光。檢測光可外加)的變化情況來達到監(jiān)測的目的;另一類是聲檢測方法,即通過使用麥克風(fēng)等聲學(xué)儀器來收集和處理清洗過程中所發(fā)出的聲信號來進行監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)一般比較復(fù)雜,且成本較高,主要用于一些對清洗精度要求較高的場合;在一般情況下,清洗的檢測主要是由現(xiàn)場的清潔人員直接觀測或借助相關(guān)儀器來完成,缺乏實時性和準(zhǔn)確性,但在清洗要求不高的情況下也是完全可以的。1.5輔助的激光清洗主要是利用自動化的控制它是整套激光清洗機的控制中樞,用于控制和協(xié)調(diào)其它各部分系統(tǒng),使它們協(xié)同工作來完成清洗任務(wù)。它的核心部分一般是一臺可以分析和處理各種數(shù)據(jù)信息的單片機或計算機,并輔以一套相應(yīng)的控制軟件,清潔人員通過控制它,只需輸入一些簡單的控制指令,便能夠達到操縱整個激光清洗過程的目的。這一部分雖然比較復(fù)雜,但現(xiàn)在的自動化和計算機控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟,所以實現(xiàn)起來并不困難。除了上面的基本部分以外,結(jié)合不同的清洗方法和清洗環(huán)境的要求,還有一些其它的輔助系統(tǒng)。比如用于準(zhǔn)確清除特定部位的激光光束定位系統(tǒng);用于排除已清除物質(zhì)灰塵二次污染的噴氣和抽塵系統(tǒng);用于濕式激光清洗的鍍膜和保濕系統(tǒng)等等。有些在前面的章節(jié)中已經(jīng)給予了介紹。2清洗過程控制流程圖1是一套比較完整的激光清洗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。激光清洗機的工作方式如下,首先由自動控制系統(tǒng)對激光器發(fā)出工作指令,并使激光器工作在已經(jīng)設(shè)定好的工作模式,激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過光束調(diào)整輸出裝置“整形”后輸出到固定被清洗樣品的移動平臺上來清除其表面污物(也可以將待清洗樣品固定,激光器或光束傳輸系統(tǒng)置于移動平臺上),并由監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控著樣品的清洗情況,當(dāng)達到清洗的標(biāo)準(zhǔn)時,監(jiān)測系統(tǒng)就向控制系統(tǒng)發(fā)出清洗完成指令,自動控制系統(tǒng)便控制著移動平臺按照設(shè)定的運動方式移動到下一個清洗位置繼續(xù)清洗,同時向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出繼續(xù)監(jiān)測信號,如此往復(fù),直至整個清洗過程結(jié)束。3激光清洗設(shè)備基于前面介紹的激光清洗機的結(jié)構(gòu)和工作原理,目前國內(nèi)外已經(jīng)有一些科研機構(gòu)和公司開始設(shè)計和制造應(yīng)用于各種清洗領(lǐng)域的激光清洗機,有的已經(jīng)制成產(chǎn)品并投入實際使用。由于國外對激光清洗技術(shù)的研究較早,對于激光清洗機的研制一直處于領(lǐng)先水平,所以目前激光清洗設(shè)備主要是由外國科研機構(gòu)和企業(yè)研制的。下面根據(jù)其所使用的激光器的種類和用途,介紹幾臺國外制造的典型的激光清洗機的性能和特點。3.1laerblus系列主要激光清洗設(shè)備1)用于清除表面涂層CraigT.Walters領(lǐng)導(dǎo)的研究小組制造的用于清除有機涂覆層的激光清洗機(圖2),它選用的是以脈沖方式工作的1064nm的Nd∶YAG激光器,其脈沖寬度為15-30ns,重復(fù)頻率為10-20Hz,當(dāng)激光器平均功率為7W時,對于相同的基底,根據(jù)涂覆層的類型和厚度不同,清洗速率可介于3到50cm2/min之間。它使用導(dǎo)光光纖來傳導(dǎo)激光,通過操作人員手持導(dǎo)光裝置輸出端來將激光輸出到指定的清洗部位,使用起來比較簡單、方便,但自動化程度比較低,適用于比較簡單的操作環(huán)境以及科學(xué)研究。該激光清洗機雖然已經(jīng)成型,但是儀器本身還不夠完善,某些地方設(shè)計比較粗糙,缺乏廣泛應(yīng)用于實際使用的安全和可靠性保障。2)用于清除表面污物法國Quantel公司從1994年起開發(fā)了Laserblast系列用于表面清洗的激光清洗機產(chǎn)品,主要型號有Laserblast60,500,1000和2000型。Laserblast激光清洗系列產(chǎn)品的特色是通過使用光纖來傳輸激光,使激光達到被清洗物體的表面,從而使之具有優(yōu)良的清洗性能及較高的人體工程學(xué)特點,并且能夠非常方便、快速地安裝在機器手等自動化系統(tǒng)上。此外,由于采用了獨有的光纖傳輸技術(shù),使得輸出激光束的能量分布呈平坦曲線狀(即TopHat型),激光束中的所有能量都以最佳方式被充分利用,從而獲得良好的清洗效果,提高了清洗效率。Laserblast60型為可移動式小型激光清洗機(圖3),它主要用于精密器件,文物藝術(shù)品等小范圍高精度清洗領(lǐng)域。它使用的是1064nm波長的Nd:YAG激光器,額定平均輸出功率為8W,采用光纖傳輸激光。其主要特點是具有可見光瞄準(zhǔn)定位系統(tǒng);安全連鎖系統(tǒng);應(yīng)急停止系統(tǒng);具有串行RS232接口,可用于連接計算機進行診斷維護和精密操控。Laserblast500型為可移動式激光清洗機(圖4),主要用于露天或重塵等惡劣復(fù)雜工作環(huán)境的清洗任務(wù)。為了適應(yīng)這種環(huán)境,其產(chǎn)品將激光器單元和冷卻單元分別設(shè)計為可移動式,其傳輸光纖還具有特殊外殼保護,這樣使儀器使用起來靈活方便,且安全性高。它同樣使用的是1064nm波長的Nd∶YAG激光器,額定平均輸出功率為20W,光纖傳輸激光除了具有前面介紹的60型機的特點外,還具有近距探測器以及三維安全觸發(fā)器。Laserblast1000型為可移動式工業(yè)激光清洗機(圖5),它主要使用于大型工業(yè)器件設(shè)備的清洗。它使用Nd∶YAG激光器,波長1064nm,額定平均輸出功率為40W。其激光束由光纜傳輸并具有保護外殼,同時為滿足不同用途的需要,它配備了專門的導(dǎo)光炬;工作臺按照IP55標(biāo)準(zhǔn)制作(防水防塵),可以固定也可以用配備帶滾輪的底座方便移動;當(dāng)使用機械手或機器人時,該系統(tǒng)可以完全實現(xiàn)計算機控制。除此以外,該公司還制造了由“Laserblast500”和“LAMA控制箱”組合而成的可用于城市建筑物和古建筑清潔維護的LaserblastLAMA型激光清洗機等產(chǎn)品,可以說該公司目前是世界范圍內(nèi)能夠生產(chǎn)專業(yè)正規(guī)激光清洗機的廠商之一。2.2在線或離線清洗模具1)用于輪胎模具清洗TMCSTireModeCleaningSystem(圖6)激光清洗系統(tǒng)是德國的JET激光系統(tǒng)股份有限公司(JETLasersystemeGmbH)生產(chǎn)的用于清洗輪胎模具表面殘留的橡膠污物的激光清洗機。TMCSLaserCleaner使用的是CO2-TEA激光器,其脈沖寬度為ms～μs量級,對于1cm2激光輻射范圍,清洗深度可以達到0.01mm。該儀器具有極高的清洗質(zhì)量,可以自動地清洗模具的每個部分,凹槽下部的精密的五維坐標(biāo)掃描裝置引導(dǎo)激光輸出,在保證模具完全不受損的情況下,可以徹底清除模具側(cè)面的每個角落,同時將清除的殘渣及時地抽走和過濾;可移動的機身能夠?qū)崿F(xiàn)在線或離線清洗,免去了拆卸和牽引模具的麻煩,根據(jù)模具的大小、復(fù)雜程度以及硬化周期,清洗一套模具的時間一般在45～90min;同時方便靈活的清洗方式可以清洗由普通方式壓制的兩部分組合而成的模具,標(biāo)準(zhǔn)的JET清洗單元可以清洗胎圈直徑為13-21inch的輪胎模具,對于其他尺寸更大的模具則需要拆卸成適當(dāng)尺寸的部件進行離線清洗;整個清洗過程完全自動完成,不需要任何手動清洗過程,為清潔人員提供了良好的安全保障。2)用于結(jié)合處表面預(yù)處理由JET公司生產(chǎn)的FlexJETCableStrippingSystem和BlessTubeDecoatingSystem激光清洗系統(tǒng)可以用來剝離金屬管、光纜等物體上的各種涂層或包層(例如PA,PVC,PTFE),其系統(tǒng)采用的是CO2激光器。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙,可以剝離出各種形狀和大小的圖案;可以完全實現(xiàn)自動化操作,能夠精確地沿邊緣清除掉所要清除的包層,其精度可以達到100μm,典型清洗速度可以達到50mm3/s。2.3表面活性劑的清洗1)用于模具清洗MoldJETInjectionandRubberMoldCleaningSystem激光清洗系統(tǒng)(圖7)也是德國JET公司的產(chǎn)品,它主要用來清除非輪胎模具以外其它各種類型的模具。與前面介紹的TMCS系統(tǒng)類似,MoldJET具有電腦數(shù)字控制裝置,過濾裝置,冷卻裝置等輔助系統(tǒng),但由于MoldJETLaserCleaner可以使用脈沖寬度更短的準(zhǔn)分子激光器,所以它能夠用來清除一些與模具結(jié)合的更加牢固的細(xì)小微粒。MoldJET系統(tǒng)的激光清洗頭由一個四維坐標(biāo)掃描裝置構(gòu)成,能夠以不同的挺進角清洗模具表面的每個部分。整臺儀器在方便清洗其它類型模具的同時,兼具TMCS的優(yōu)良特性。2)用于電子線路清洗美國USHIO公司生產(chǎn)的ExcimerVUV/O3CleaningSystem激光清洗系統(tǒng)可以滿足微電子行業(yè)的高精度清洗作業(yè)。其激光器系統(tǒng)采用的是特殊設(shè)計的準(zhǔn)分子激光器,它具有單模輻射且?guī)挊O窄的特點,可以輻射不同于一般準(zhǔn)分子激光器紫外脈沖激光的波長為172nm的真空紫外脈沖激光,其單光子能量可以達到166.7kcal/mol,大于常見有機物化學(xué)鍵(例如O-O、O-H、C-H等)的結(jié)合能;同時極高的能量轉(zhuǎn)換效率(10%)可以保證其能夠高效的清除半導(dǎo)體晶片上的各種微小有機污染微粒;該儀器還可以控制每次輸出脈沖的能量,可以用于清除各種不同性質(zhì)的微粒而不損壞基底;此外該系統(tǒng)的激光輻射方向相當(dāng)自由,能夠使輸出光方向與產(chǎn)品生產(chǎn)線上的待清洗基底平面始終保持垂直。該產(chǎn)品使用廣泛,能夠滿足液晶單元、半導(dǎo)體單元等各種電子元件的清洗要求,其中UVS-4200型為半導(dǎo)體單元激光清洗機(圖8),可用于半導(dǎo)體元件的沉積前表面清理,軟性灰化,提高其與固氣溶膠、光致抗蝕劑的可濕性和粘著力,高速去靜電,刻蝕線路清洗等各種電子工藝。3研制激光清洗系統(tǒng)相對于國外的激光清洗機專門生產(chǎn)公司,國內(nèi)的激光清洗市場目前還沒有被充分重視,對于激光清洗機的研究和制造尚處于起步階段,幾乎沒有可以具備