利用激光清洗光學(xué)元件表面的實踐研究

趙吉 李天然 于航

摘 要：文章針對典型的光學(xué)玻璃基片，分析了激光清洗光學(xué)元件的理論基礎(chǔ)，討論了利用打標(biāo)機(jī)清洗光學(xué)元件表面的作用方式。討論了利用打標(biāo)機(jī)對實驗室中常用的污染物（皮膚油脂、粉塵、液晶薄膜）進(jìn)行清洗實驗，為了判定清洗效果怎樣，利用光學(xué)顯微鏡對得到的實驗樣品進(jìn)行觀察。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)：當(dāng)打標(biāo)機(jī)調(diào)Q頻率一定時，打標(biāo)機(jī)輸出功率越大，清洗效果越明顯。當(dāng)打標(biāo)機(jī)泵浦光源的功率一定時，隨著打標(biāo)機(jī)調(diào)Q頻率增大，清洗效果越明顯。

關(guān)鍵詞：激光清洗；光學(xué)元件；光學(xué)顯微鏡

中圖分類號：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）34-0078-02

Abstract： Aiming at the typical optical glass substrate， this paper analyzes the theoretical basis of laser cleaning optical elements， and discusses the action mode of optical elements surface cleaning using marking machine. This paper discusses the cleaning experiment of common pollutants （skin grease， dust， liquid crystal film） in the laboratory using marking machine. In order to judge the cleaning effect， the obtained experimental samples are observed by optical microscope. Through the experiment， it is found that the greater the output power of the marking machine is， the more obvious the cleaning effect is when the Q-switching frequency of the marking machine is fixed. When the power of the pump light source of the marking machine is fixed， the cleaning effect is more obvious with the increasing of Q-switching frequency of the marking machine.

Keywords： laser cleaning； optical element； optical microscope

1 激光清洗簡介

激光清洗是近年來發(fā)展起來的一種新型清除污染物的技術(shù)，是利用激光的手段處理待清除物體表層的污垢。激光清洗技術(shù)主要包括干式激光清洗方法和濕式激光清洗方法等。干式激光清洗法[4]是利用經(jīng)調(diào)Q或鎖模形成脈寬比較窄的激光直接照在待清洗物體上，當(dāng)需清洗的物體或者其表面上的污染物吸取激光能量產(chǎn)生熱膨脹作用時，污染物受到的向外的力大于污染物對物體的吸附力，從而實現(xiàn)對污染物的清除。濕式激光清洗法[4]是在短脈沖激光與物體或其上的污染物作用以前，操作人員向待清除物體表面涂上一層液體薄膜，利用液膜在激光（經(jīng)調(diào)Q或鎖模形成脈寬比較窄的激光）作用下的瞬間氣化膨脹，將污染物拋掉。

2 激光清洗的理論基礎(chǔ)

激光清洗物體表面的污染顆粒包括兩個過程，分別為污染顆粒對物體表面的吸附力和激光照射物體表面產(chǎn)生的清洗力。

干式激光清洗法使微粒污染物從物體上清除掉的物理過程是利用短脈沖激光直接照在需要清洗的物體表面，將會導(dǎo)致物體表面的微粒污染物或者物體表面的溫度快速提高。物體表面或物體表面上的微粒污染物溫度提高就會發(fā)生膨脹，熱膨脹使微粒污染物或者物體表面振動，從而使微粒克服表面的吸附力，脫離掉待清洗物體的表面。雖然熱膨脹很微小，但在短脈沖激光照射下微粒污染物會產(chǎn)生很大的脫離加速度。

（1）對于待清洗物體和小顆粒污染物這一系統(tǒng)，當(dāng)短脈沖激光照在待清洗物體上時，小顆粒污染物不吸收此波長的激光，這時激光透過小顆粒污染物，則激光光束的大部分能量僅僅被待清洗物體吸收。物體表面的溫度迅速提升，將會發(fā)生熱膨脹作用，熱膨脹使物體表面振動使小顆粒污染物被清除掉。

圖1中黑點越密集表示物體表面吸收的脈沖激光的能量越多。物體表面受到脈沖激光的直接照射，物體表面因為溫度迅速提升將會發(fā)生熱膨脹，物體表面產(chǎn)生的熱膨脹作用，同時物體表面上的小顆粒污染物又存在相反方向的力的作用。因此，由于物體表面熱膨脹將會對小顆粒產(chǎn)生力的作用，由r？駐T（0，t）來表示單位面積產(chǎn)生的力，用f1來定義單位面積的清洗力。

其中：r表示待清洗物體的線性熱膨脹系數(shù)，E表示待清洗物體的彈性模量。？駐T（0，t）是基底在t時刻的溫度升高的量，可由？駐T（0，t）=T（0，t）-T0來確定，其中T0為物體的剛開始的溫度。如果清洗力大于吸附力就能夠把微粒污染物去除掉。

（2）對于待清洗物體和小顆粒污染物這一系統(tǒng)，激光照在待清洗物體上時，待清洗物體不吸收激光，小顆粒污染物吸收激光發(fā)生熱膨脹，微粒因振動而被清除掉。

圖2中黑點越密表示微粒吸收激光的能量越多。小顆粒污染物因為吸收大部分能量導(dǎo)致溫度升高，結(jié)果是其產(chǎn)生熱膨脹，小顆粒產(chǎn)生的熱膨脹作用，同時物體又存在相反方向的力的作用。基底對微粒污染物有吸附力，同時微粒污染物因吸收激光能量而產(chǎn)生的熱膨脹這一反向作用力。由于小顆粒污染物的振動對物體施加一個力，同時物體也對小顆粒也有一個反向力的作用，由rE？駐T（d，t）來表示，其中的r和E分別代表微粒的線性熱膨脹系數(shù)和彈性模量。？駐T（d，t）是微粒與基底接口處的溫度升高的量。

當(dāng)脈沖激光照射小顆粒污染物時，由于污染物不是均勻的，導(dǎo)致小顆粒各部分溫度升高的量大小不一樣。溫度升高使小顆粒污染物發(fā)生熱膨脹，從而使小顆粒內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于小顆粒污染物被清除時將會發(fā)生移動，由應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，我們可以得到如下的除掉污染物條件：

從這兩種激光清洗方式可以看出，當(dāng)待清洗物體對激光強(qiáng)吸收時能更加普遍使用，因為小顆粒污染物有時候并不是單一成分，有時候還不能確定其成分。污染物強(qiáng)吸收時很難選擇激光波長并且清洗不是很完全。

（3）對于待清洗物體和小顆粒污染物這一系統(tǒng)，當(dāng)它們都吸收激光束的能量時，這時清洗力為以上兩種清洗力相加。

液膜可以很好的加強(qiáng)清洗效果，可以用更小的能量去除掉同樣大小的微粒，清洗效率比較高。但是濕式激光清洗中存在兩個困難，一是很難控制待清洗物體表面液層的厚度，二是利用液膜清除污染物可能會帶來新的污染。另外，也存在著波長選擇困難的問題。

3 實驗結(jié)果與分析

由于該樣品在打標(biāo)機(jī)單次掃描的情況下，現(xiàn)象不是很明顯，此時設(shè)定為連續(xù)掃描。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)打標(biāo)機(jī)的調(diào)Q頻率一定時，打標(biāo)機(jī)輸出功率越高，清除效果越明顯。當(dāng)激光泵浦功率一定時，打標(biāo)機(jī)調(diào)Q的頻率越高，清除效果越明顯。但是，此時K9基片上的液晶薄膜還有明顯的殘留，還需要借助其他方法才能夠完全清除。

4 結(jié)束語

本文在分析激光清洗的基礎(chǔ)上，以清洗K9基片作為突破口，針對光學(xué)元件表面的皮膚油脂、粉塵、液晶薄膜三種常見的污染物，制定相應(yīng)的清洗方案。利用打標(biāo)機(jī)并改變其參數(shù)進(jìn)行實驗，對得到的實驗樣品利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，獲得了上述光學(xué)元件表面經(jīng)不同參數(shù)激光照射前后的檢測數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的顯微圖像進(jìn)行分析，探討了能夠產(chǎn)生清洗效果的實驗條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]巴瑞章.激光表面處理及應(yīng)用[J].激光加工技術(shù)，1999（增刊）：25-27.

[2]梁治齊.實用清洗技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：30-32.