Teknologi pembersihan lasermerupakan aplikasi teknologi laser yang berjaya dalam bidang kejuruteraan. Prinsip asasnya memanfaatkan ketumpatan tenaga laser yang tinggi untuk membolehkan interaksi antara pancaran laser dan bahan cemar yang melekat pada substrat bahan kerja. Bahan cemar diasingkan daripada substrat melalui pengembangan haba serta-merta, peleburan, pengewapan gas dan mekanisme lain. Dengan kecekapan tinggi, mesra alam dan penjimatan tenaga, teknologi pembersihan laser telah berjaya digunakan dalam pembersihan acuan tayar, penyingkiran cat badan pesawat, pemulihan peninggalan budaya dan bidang lain.
Teknologi pembersihan tradisional termasuk pembersihan geseran mekanikal (penyalaan pasir, pembersihan jet air tekanan tinggi, dll.), pembersihan kakisan kimia, pembersihan ultrasonik, pembersihan ais kering dan banyak lagi. Teknologi ini digunakan secara meluas dalam pelbagai industri. Contohnya, penyemburan pasir boleh menghilangkan tompok karat logam, gerinda permukaan dan salutan konformal pada papan litar dengan memilih bahan kasar yang berbeza-beza kekerasannya. Pembersihan kakisan kimia digunakan secara meluas untuk penyingkiran kerak minyak permukaan peralatan, pembersihan kerak dandang dan penyingkiran saluran paip minyak. Walaupun matang, kaedah tradisional mempunyai kelemahan yang ketara: penyemburan pasir mudah merosakkan permukaan yang dirawat, dan pembersihan kakisan kimia menyebabkan pencemaran alam sekitar dan boleh menghakis substrat jika dikendalikan dengan tidak betul. Kemunculan pembersihan laser menandakan revolusi dalam teknologi pembersihan. Dengan menggunakan ketumpatan tenaga laser yang tinggi, ketepatan dan penghantaran yang cekap, pembersihan laser mengatasi kaedah tradisional dalam kecekapan pembersihan, ketepatan dan kedudukan. Ia menghapuskan pencemaran alam sekitar daripada pembersihan kimia dan tidak menyebabkan kerosakan pada substrat.
Prinsip Pembersihan Laser
Apakah sebenarnya pembersihan laser? Ia merujuk kepada proses penyingkiran bahan daripada permukaan pepejal (atau kadangkala cecair) melalui penyinaran pancaran laser. Pada fluks laser yang rendah, tenaga laser yang diserap memanaskan bahan, menyebabkan penyejatan atau pemejalwapan. Pada fluks laser yang tinggi, bahan biasanya bertukar menjadi plasma. Pembersihan laser biasanya menggunakan laser berdenyut untuk penyingkiran bahan, walaupun pancaran laser gelombang berterusan boleh mengablasi bahan pada keamatan yang mencukupi. Laser eksimer ultraungu dalam, dengan panjang gelombang sekitar 200 nm, digunakan terutamanya untuk fotoablasi.
Kedalamantenaga laserPenyerapan dan jumlah bahan yang dikeluarkan setiap denyutan bergantung pada sifat optik bahan, serta panjang gelombang laser dan tempoh denyutan. Jumlah jisim yang diablasi daripada sasaran setiap denyutan ditakrifkan sebagai kadar ablasi. Ciri-ciri sinaran laser seperti kelajuan pengimbasan dan liputan garisan mempengaruhi proses ablasi dengan ketara.
Jenis-jenis Teknologi Pembersihan Laser
1) Cucian Kering Laser
Cucian kering laser melibatkanPenyinaran laser berdenyut langsung pada bahan kerja. Bahan cemar atau substrat menyerap tenaga laser, meningkatkan suhunya dan mendorong pengembangan haba atau getaran haba substrat, yang memisahkan bahan cemar daripada substrat. Ia berlaku dalam dua senario: sama ada bahan cemar permukaan menyerap tenaga laser dan mengembang, atau substrat menyerap tenaga dan bergetar secara haba.
Pada tahun 1969, SM Bedair et al. mendapati bahawa rawatan permukaan konvensional (rawatan haba, kakisan kimia, letupan pasir) semuanya mempunyai batasan. Mereka memerhatikan bahawa ketumpatan tenaga laser yang difokuskan yang tinggi boleh mengewapkan bahan permukaan tanpa merosakkan substrat. Eksperimen mengesahkan bahawa laser ruby yang dialihkan Q dengan ketumpatan kuasa 30 MW/cm² boleh membersihkan bahan cemar daripada permukaan silikon tanpa kerosakan substrat, menandakan pelaksanaan pertama pembersihan kering laser.
Kadar pembersihan keseluruhan boleh dinyatakan melalui kadar penyingkiran serpihan filem, seperti yang ditunjukkan di bawah:
(Formula: ε—indeks tenaga denyut laser; h—indeks ketebalan filem bahan cemar; E—indeks modulus elastik filem)
2) Pembersihan Basah Laser
Sebelum penyinaran laser berdenyut, filem cecair disalut terlebih dahulu pada permukaan bahan kerja. Tenaga laser memanaskan dan mengewapkan filem dengan pantas, menghasilkan gelombang kejutan serta-merta yang menanggalkan zarah bahan cemar daripada substrat. Kaedah ini tidak memerlukan tindak balas kimia antara substrat dan filem cecair, sekali gus mengehadkan bahan yang berkenaan.
Pada tahun 1991, K. Imen dkk. menangani sisa bahan cemar submikron pada wafer dan logam semikonduktor selepas pembersihan konvensional. Mereka menyalut substrat dengan filem penyerap laser dan menyinarinya dengan laser CO₂. Filem tersebut menyerap tenaga, dipanaskan dengan cepat, dididihkan dan mengalami pengewapan yang mudah meletup, lalu menyingkirkan bahan cemar permukaan—ini mentakrifkan pembersihan basah laser.
3) Pembersihan Gelombang Kejutan Plasma Laser
Gelombang kejutan plasma laser terbentuk apabila laser mengionkan udara menjadi gelombang kejutan plasma sfera semasa penyinaran. Gelombang kejutan ini mengenai substrat, melepaskan tenaga untuk menyingkirkan bahan cemar tanpa merosakkan substrat (laser tidak berinteraksi secara langsung dengan substrat). Teknologi ini membersihkan zarah sekecil puluhan nanometer dan tidak mengenakan sekatan pada panjang gelombang laser.
Prinsip fizikal pembersihan plasma diringkaskan seperti berikut:
a) Pancaran laser diserap oleh lapisan bahan cemar pada permukaan sasaran.
b) Penyerapan tenaga yang tinggi membentuk plasma yang mengembang dengan pantas (gas tidak stabil yang sangat terion), menghasilkan gelombang kejutan.
c) Gelombang kejutan memecah dan menyingkirkan bahan cemar.
d) Denyutan laser mestilah cukup pendek untuk mengelakkan pengumpulan haba yang merosakkan substrat.
e) Eksperimen menunjukkan plasma terbentuk pada permukaan logam apabila oksida hadir.
Penjanaan plasma hanya berlaku di atas ambang ketumpatan tenaga, yang bergantung pada bahan cemar atau lapisan oksida yang hendak disingkirkan. Ambang kedua yang lebih tinggi wujud, di mana substrat akan rosak. Untuk memastikan pembersihan yang berkesan tanpa kerosakan substrat, parameter laser mesti dilaraskan untuk mengekalkan ketumpatan tenaga denyut antara kedua-dua ambang.
Pada tahun 2001, JM Lee et al. memanfaatkan gelombang kejutan plasma daripada laser berfokus berkuasa tinggi. Laser berdenyut dengan ketumpatan tenaga 2.0 J/cm² (jauh melebihi ambang kerosakan silikon) telah menyinari wafer silikon secara selari, berjaya menanggalkan zarah tungsten 1 μm. Secara tepatnya, pembersihan gelombang kejutan plasma laser adalah subset cucian kering.
Pada mulanya dibangunkan untuk menyingkirkan zarah mikroskopik daripada wafer semikonduktor, ketiga-tiga teknologi pembersihan laser ini telah diperluaskan kepada pembersihan acuan tayar, penyingkiran cat kulit pesawat, pemulihan peninggalan budaya dan banyak lagi. Gas lengai boleh ditiup ke atas substrat semasa penyinaran laser untuk segera menyingkirkan bahan cemar yang terpisah, mencegah pencemaran semula dan pengoksidaan.
Aplikasi Teknologi Pembersihan Laser
1) Industri Semikonduktor: Pembersihan Wafer Semikonduktor dan Substrat Optik
Wafer semikonduktor dan substrat optik menjalani langkah pemprosesan yang sama (pemotongan, pengisaran) untuk membentuk bentuk yang diingini, memperkenalkan bahan cemar zarah yang sukar disingkirkan dan mudah tercemar semula. Bahan cemar pada wafer menjejaskan kualiti percetakan litar dan memendekkan jangka hayat cip. Pada substrat optik, ia merendahkan prestasi peranti optik dan salutan, menyebabkan pengagihan tenaga yang tidak sekata dan jangka hayat perkhidmatan yang berkurangan.
Cucian kering laser jarang digunakan di sini kerana risiko kerosakan substrat, manakala pembersihan basah dan pembersihan gelombang kejutan plasma mempunyai banyak aplikasi yang berjaya. Xu Chuanyi dkk. telah mendepositkan cat magnet skala mikron sebagai filem dielektrik pada substrat optik ultra licin, mencapai pembersihan laser berdenyut yang berkesan. Walaupun jumlah zarah bendasing meningkat, saiz dan liputannya berkurangan dengan ketara. Zhang Ping mengkaji kesan jarak kerja dan tenaga laser terhadap kecekapan pembersihan untuk zarah yang berbeza-beza saiz. Eksperimen menunjukkan laser 240 mJ mencapai pembersihan optimum zarah polistirena pada kaca konduktif pada jarak kerja 1.90 mm. Kecekapan pembersihan bertambah baik dengan tenaga laser yang lebih tinggi, dan zarah yang lebih besar lebih mudah disingkirkan.
2) Industri Logam: Pembersihan Permukaan Logam
Pembersihan permukaan logam menyasarkan bahan cemar makroskopik: lapisan oksida/karat, cat, salutan dan lampiran lain, yang dikategorikan sebagai bahan cemar organik (cat, salutan) atau bukan organik (karat). Pembersihan memenuhi keperluan pemprosesan/penggunaan seterusnya: contohnya, menanggalkan lapisan oksida setebal 10 μm daripada aloi titanium sebelum mengimpal, menanggalkan cat daripada kulit pesawat untuk dicat semula dan membersihkan sisa getah daripada acuan tayar untuk memastikan kualiti produk dan jangka hayat acuan.
Logam mempunyai ambang kerosakan yang lebih tinggi daripada ambang pembersihan bahan cemarnya, membolehkan pembersihan berkesan dengan laser yang dikuasakan dengan sewajarnya. Aplikasi matang termasuk: Wang Lihua dkk. menunjukkan bahawa laser 5.1 J/cm² menanggalkan lapisan oksida daripada aloi aluminium A5083-111H sambil mengekalkan kualiti substrat, dan laser berdenyut 100 W membersihkan lapisan oksida aloi titanium dengan berkesan dan meningkatkan kekerasan permukaan. Pengilang domestik (Raycus Laser, Han's Laser, Shenzhen Chuangxin) membekalkan peralatan pembersihan laser secara meluas untuk acuan getah, karat logam dan penyingkiran sebahagian minyak.
3) Pemuliharaan Peninggalan Budaya: Pembersihan Peninggalan Budaya dan Artifak Kertas
Peninggalan budaya logam dan batu mengumpul kotoran, kesan dakwat dan bahan cemar lain dari semasa ke semasa, yang memerlukan penyingkiran untuk mengembalikan penampilan asal. Artifak kertas (lukisan, kaligrafi) membentuk kulat dan plak semasa penyimpanan yang tidak betul, sekali gus menjejaskan keadaan dan nilai budaya/sejarahnya dengan teruk.
Zhao Ying dkk. mengesahkan pembersihan laser UV plak acuan pada kertas beras: satu imbasan pada 3.2 J/mm² menanggalkan plak nipis, manakala dua imbasan mencapai penyingkiran sepenuhnya; tenaga laser yang berlebihan merosakkan kertas. Zhang Xiaotong berjaya memulihkan artifak gangsa berlapis emas menggunakan kaedah basah laser. Zhang Licheng menggunakan pembersihan laser pada patung tembikar wanita yang dicat dari Dinasti Han. Yuan Xiaodong dkk. menilai keberkesanan pembersihan laser untuk peninggalan batu, membandingkan kerosakan substrat dan kecekapan penyingkiran untuk kesan dakwat, asap dan cat pada batu pasir.
Kesimpulan
Pembersihan laser merupakan teknologi canggih dengan prospek penyelidikan dan aplikasi yang luas dalam aeroangkasa, peralatan ketenteraan, elektronik dan bidang ketepatan tinggi yang lain. Matang dalam pelbagai industri disebabkan oleh kecekapan, keramahan alam sekitar dan hasil pembersihan yang unggul, aplikasinya terus berkembang. Selain penyingkiran cat dan karat yang mantap, kemajuan terkini termasuk pembersihan laser lapisan oksida pada wayar logam. Pembangunan masa hadapan bergantung pada pengembangan aplikasi sedia ada, memasuki bidang baharu dan menginovasi peralatan:
- Memperkukuhkan penyelidikan teori untuk membimbing aplikasi praktikal. Penyelidikan semasa banyak bergantung pada eksperimen, kekurangan kerangka teori yang matang. Mewujudkan kerangka kerja sedemikian adalah penting untuk kematangan teknologi.
- Memperluas aplikasi dalam bidang sedia ada dan baharu. Matang dalam penyingkiran cat/karat, kegunaan baru muncul termasuk pembersihan dawai oksida logam, menyediakan tanah subur untuk pertumbuhan.
- Membangunkan peralatan pembersihan laser baharu, dengan mempelbagaikan kepada peranti universal pelbagai guna (contohnya, gabungan penyingkiran cat/karat) dan peralatan khusus (contohnya, lekapan/gentian tersuai untuk ruang terkurung). Automasi penuh melalui penyepaduan dengan robot perindustrian merupakan hala tuju yang menjanjikan.
Masa siaran: 14 Mei 2026
