利用激光清洗光學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玻璃基片，分析了激光清洗光學元件的理論基礎，討論了利用打標機清洗光學元件表面的作用方式。討論了利用打標機對實驗室中常用的污染物（皮膚油脂、粉塵、液晶薄膜）進行清洗實驗，為了判定清洗效果怎樣，利用光學顯微鏡對得到的實驗樣品進行觀察。經過實驗發現：當打標機調Q頻率一定時，打標機輸出功率越大，清洗效果越明顯。當打標機泵浦光源的功率一定時，隨著打標機調Q頻率增大，清洗效果越明顯。

關鍵詞：激光清洗；光學元件；光學顯微鏡

中圖分類號：TN249 文獻標志碼：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展起來的一種新型清除污染物的技術，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]是利用經調Q或鎖模形成脈寬比較窄的激光直接照在待清洗物體上，當需清洗的物體或者其表面上的污染物吸取激光能量產生熱膨脹作用時，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（經調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

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，當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生熱膨脹，物體表面產生的熱膨脹作用，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生力的作用，由r？駐T（0，t）來表示單位面積產生的力，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，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，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致溫度升高，結果是其產生熱膨脹，小顆粒產生的熱膨脹作用，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。

當脈沖激光照射小顆粒污染物時，由于污染物不是均勻的，導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生熱膨脹，從而使小顆粒內部產生熱應力。由于小顆粒污染物被清除時將會發生移動，由應力與應變之間的關系，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，當待清洗物體對激光強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，當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 實驗結果與分析

由于該樣品在打標機單次掃描的情況下，現象不是很明顯，此時設定為連續掃描。可以發現，當打標機的調Q頻率一定時，打標機輸出功率越高，清除效果越明顯。當激光泵浦功率一定時，打標機調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 結束語

本文在分析激光清洗的基礎上，以清洗K9基片作為突破口，針對光學元件表面的皮膚油脂、粉塵、液晶薄膜三種常見的污染物，制定相應的清洗方案。利用打標機并改變其參數進行實驗，對得到的實驗樣品利用光學顯微鏡進行觀察，獲得了上述光學元件表面經不同參數激光照射前后的檢測數據。根據得到的顯微圖像進行分析，探討了能夠產生清洗效果的實驗條件。

參考文獻：

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

[2]梁治齊.實用清洗技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2005：30-32.