应用场景：激光清洗的优势与主要应用领域

1.激光清洗硬盘磁头

计算机硬盘磁头在使用过程中，磁头表面产生的污染大致分3种：

1）难以去除的有机胶如环氧树脂。

2）研磨加工过程中产生的辐射残渣包括硅微粒和有机油脂。

3）深嵌于表面的金属污染物（通常是锡）。

由于这些污染物的存在，使飞溅深度增大，减少了磁记录密度。另外污染物碰撞硬盘表面，易破坏磁盘的光滑表面层和中间层，导致磁录的可靠性下降。

采用脉宽为23ns、最大能量密度为450mJ/cm²的KrF准分子激光，是一种有效去除磁头污染、不引起任何表面损伤的清洗方法。在光学显微镜下观察，能量密度为450mJ/cm²时，25个激光脉冲便可以清除掉磁头的环氧树脂污染物；能量密度为330mJ/cm²时，30个脉冲就可以去除掉辐射残渣，并巨边缘整齐，没有任何表面损伤；金属污染与磁头表面结合较紧密，但能量密度为187.5mJ/cm²，脉冲频率为30Hz时，用5s就可以有效清除掉锡金属污物。

2.激光清洗硅晶体表面

晶体硅是半导体行业中常用的材料，它的表面多是一些氧化物和碳氢化合物，在高温下易形成碳化硅等污染层。用离子喷射的方法可以去除硅表面的碳氢化合物，但易引起硅表面的粗糙或损伤；用化学清洗的方法，虽然可以去除表面氧化层，但又会生成化学钝化层等。用波长为248nm，脉宽为20ns的KrF准分子激光清洗硅晶体表面，能量密度为800mJ/cm²时，有15个激光脉冲就可以去除表面氧化层。通过电镜扫描分析，表面层中的F、C、O成分完全消失，并巨没有任何表面损伤。

3.激光清洗金属表面锈蚀

传统的金属表面除锈方法是用钢刷或喷砂等，工程庞大而复杂，并巨锈粉不仅有害于工人的身体健康，而巨严重污染环境。用直径为12mm的激光束照射钢铁大桥、铁塔等钢架结构的金属表面，可瞬间去除锈层，并巨可以改善金属表面的抗锈能力。

4.激光清除海面石油污染

用燃烧的方法清除泄漏在海面上的石油，不仅造成资源浪费，而巨会生成有害气体，污染空气和海洋。激光清除石油的方法是通过控制激光能量，使石油受热蒸发而不燃烧，然后用真空回收装置收集石油蒸汽并冷却。若油层较厚，可采用大功率激光下到石油层底下进行扫描，石油层会形成浓缩的石油膜，而海水在激光作用下受热沸腾，使得石油膜被高高托起，此时用过滤收集石油膜的特殊装置进行收集。激光清洗速度快、效率高，将激光清洗设备装在船舶上一天可清除数十平方公里的海面。

5.激光清除旧油漆

在飞机、轮船、机车、雷达系统等设备的维修保养中，经常要遇到除去旧油漆这一问题。传统的机械除漆和化学除漆存在污染大、劳动强度大、效率低、费用高巨容易损害设备表面等弊病。采用激光除去旧油漆，激光使油漆表面加热并令其有机成分汽化，使粘合剂失去作用，无机填充物和颜料被夹在有机成分的蒸汽中而脱离物体表面，从而达到除去油漆的目的。激光除漆的关键是有效地控制激光能量，使除漆时不损伤油漆下物体表面。

6.激光清洗武器

激光清洗技术在武器维护保养上也有应用。采用激光清洗技术可以高效、快捷地清除污染物，清除部位可以进行选择，实现清洗的自动化。激光清洗不但清洁度高于化学清洗工艺，而巨对于机体表面几乎无损害，还可在金属机体表面形成一层致密的氧化物保护膜，提高表面强度。激光清除的废料是固体粉末，体积小，易于存放，对环境基本上不造成污染，还可以进行远距离操作，有效减少对操作人员的健康损害。(www.xing528.com)

7.激光清洗石材

石雕和石刻等年代久远的高档石质艺术品，由于其极精细和易损的表面结构，成为激光清洗技术应用最早的领域。人们发现，用激光清除石质文物表面的污垢有其独特的优势。它能够十分精确地控制光束在复杂的表面上移动，清除污垢而不损伤文物石材。例如，1992年9月，联合国教科文组织的世界文化遗产保护组织为纪念该组织创建20周年，对十分著名的英国亚眠大教堂进行了维修，亚眠大教堂西侧圣母门十分精美的大理石雕刻是工程的关键。在为期一年的圣母门维修工程中，维修人员借助激光，用激光光束除去了覆盖在大理石雕刻花纹上几毫米厚的黑色垢层，使大理石表面原来的色泽体现出来，让精美的雕刻重现光彩。图3-18为清洗前后的效果。

图3-18 激光清洗前、后的效果

a）清洗前 b）清洗后

人们用电子显微镜观察激光清洗后的石雕表面发现，激光清洗后，石头的结构没有变化，被清洗的表面既光滑又平坦，没有损伤。这与用微粒子喷射法（喷砂法）清洗后的表面完全不同。微粒子喷射法清洗后难以避免大理石表面结构的损伤，特别是对已有硫酸盐垢层的大理石表面。电子显微镜的观察还发现，激光照射后，表层下岩石材料的各项性质既无退化，也无改变。目前，用激光清洗石灰石、大理石等高档石质材料表面污垢的工作已成为一项新的，很有前途的业务项目。除了对石质材料的清洗外，激光清洗在玻璃、石英、金属、模具、牙齿、芯片、电极、磁头、磁盘，以及各种微电子产品的清洗中都有很好的效果，已经有了一定的应用。图3-19为激光清洗前后的石雕像照片。

图3-19 激光清洗前后的石雕像照片

a）清洗前 b）清洗后

8.激光清洗核电站反应堆内管道

激光清洗系统在核电站反应堆内管道的清洗上也有应用。采用光导纤维，将高功率激光束引入反应堆内部，直接清除放射性粉尘，清洗下来的物质清理方便，而巨由于是远距离操作，可以确保工作人员的安全。

9.激光清洗古代文献

1967年12月，洪水涌入位于葡萄牙里斯本的CalousteGulbenkian基金会，使一批16世纪的伊斯兰手稿蒙上一层泥土。管理人员花费了数年时间试图清洗这些极具价值的纸和羊皮纸。他们刮去泥土并使用化学溶剂。但是使用这些方法在清除泥土的同时也会使文献上的墨水溶剂渗入并破坏纸张或羊皮纸。于是，葡萄牙光学科技中心的研究者使用波长为248nm的激光来清理这些文献，光束通过有长方形隙缝的掩膜除去低能部分，然后通过焦距为200mm的透镜聚焦，在1.3mm×4mm的文献上产生光点。传递的平均能量密度为30mJ/mm²，170mJ的脉冲重复率为9Hz。每一脉冲持续10ms，传至文献的紫外辐射约94%被泥土吸收，超过了杂质结合能的临界值，使这些物质碎成颗粒被吹走。每一脉冲的穿透深度为0.1μm。科学家们用一台动态频谱范围为400～700nm、光谱带宽为15nm的光谱色度计来研究文献的不同区域。初步测量后，将文献置于温度和湿度保持稳定的房间内进一步阅读。观察文献的不同区域，在处理这些区域时除承受的脉冲数目不同外其余的都相同。例如，在纸的一点上脉冲数目为2728，另一点为7231。在羊皮纸上脉冲数目的变化从3851至12523。研究者在1996年10月至1998年10月跟踪了文献的色值和反射率，发现开始时反射率有所增加，而浅红色调有所加强，随着时间的推移反射率恢复原值，红色亦逐渐淡化。进行清除后，纸张会变得更白，但老化的过程随之而来，颜色慢慢变得更像未经处理的区域。与羊皮纸相比，纸张对清除过程更加敏感。在葡萄牙国家档案局正在开展旨在研究其他古代文献的激光清洗项目，还把类似技术用于古代陶瓷。

10.激光定期清洗模具

工业上还用激光对模具进行定期清洗，以保证产品的质量。以激光清洗轮胎模具为例，说明激光清洗与脱机喷砂清洗和干冰清洗设备相比的经济效益。激光清洗技术具有明显优势：清洗快速，劳动强度低，无磨损，对操作员无危险。然而，设备的首期投资较高，达30～60万美元。因此工厂需要确立一个合理的投资回收计划。典型的JET激光系统工厂可以在18个月内收回投资。硫化机停工时间短，劳动力成本低，模具磨损少，以及较低的生产成本是潜在的效益。譬如，一台日产20000条轮胎的设备，按8台硫化机（16模）每天平均清洗一次的要求，假设每班清洗3台硫化机或每天清洗9台硫化机（有的工厂清洗两次），从硫化机上拆下两半模具进行脱机清洗，大约需要15h的清洗作业和10h的停机时间。如采用激光对两半模具进行清洗，则需要0.3h的清洗作业和3h的停机时间，这样，清洗完一台硫化机就可以节约14h的清洗作业和7h的停机时间。又假设，只做10次清洗（5台硫化机），5次在模具车间进行脱机清洗，采用激光清洗将产生巨大的回报：每天可节约70h的清洗作业和35h的停机时间。那么按一年320天的工作日算，每年可增加22400h生产作业和11200h的上机时间。