Prinsip, jenis dan aplikasipembersihan laserteknologi
Teknologi pembersihan laser merupakan aplikasi teknologi laser yang berjaya dalam bidang kejuruteraan. Prinsip asasnya adalah untuk menggunakan ketumpatan tenaga laser yang tinggi untuk berinteraksi dengan bahan cemar yang melekat pada substrat bahan kerja, menyebabkan ia terpisah daripada substrat dalam bentuk pengembangan haba, pencairan dan penyejatan gas serta-merta. Teknologi pembersihan laser dicirikan oleh kecekapan tinggi, mesra alam dan penjimatan tenaga. Ia telah berjaya digunakan dalam bidang seperti pembersihan acuan tayar, penyingkiran cat badan pesawat dan pemulihan peninggalan budaya.
Teknologi pembersihan tradisional merangkumipembersihan geseran mekanikal(pembersihan letupan pasir, pembersihan jet air tekanan tinggi, dll.), pembersihan kakisan kimia, pembersihan ultrasonik, pembersihan ais kering, dll. Teknologi pembersihan ini telah digunakan secara meluas dalam pelbagai industri. Contohnya, pembersihan letupan pasir boleh menghilangkan tompok karat logam, gerinda permukaan logam, dan varnis tiga kalis pada papan litar dengan memilih bahan kasar yang berbeza kekerasannya. Teknologi pembersihan kakisan kimia digunakan secara meluas dalam pembersihan kesan minyak pada permukaan peralatan, kerak dalam dandang, dan saluran paip minyak. Walaupun teknologi pembersihan ini telah dibangunkan dengan baik, ia masih mempunyai beberapa masalah. Contohnya, pembersihan letupan pasir boleh menyebabkan kerosakan pada permukaan yang dirawat dengan mudah, dan pembersihan kakisan kimia boleh menyebabkan pencemaran alam sekitar dan kakisan permukaan yang dibersihkan jika tidak dikendalikan dengan betul. Kemunculan teknologi pembersihan laser mewakili revolusi dalam teknologi pembersihan. Ia memanfaatkan ketumpatan tenaga yang tinggi, ketepatan tinggi, dan penghantaran tenaga laser yang cekap, dan mempunyai kelebihan yang jelas berbanding teknologi pembersihan tradisional dari segi kecekapan pembersihan, ketepatan pembersihan, dan lokasi pembersihan. Ia berkesan boleh mengelakkan pencemaran alam sekitar yang disebabkan oleh pembersihan kakisan kimia dan teknologi pembersihan lain, dan tidak akan menyebabkan kerosakan pada substrat.
Jadi apakah pembersihan laser? Pembersihan laser ialah proses di mana pancaran laser digunakan untuk mengeluarkan bahan dari permukaan pepejal (atau kadangkala cecair). Pada fluks laser yang rendah, bahan dipanaskan oleh tenaga laser yang diserap dan menyejat atau menyejukkan. Pada fluks laser yang tinggi, bahan biasanya bertukar menjadi plasma. Biasanya, pembersihan laser merujuk kepada penyingkiran bahan menggunakan laser berdenyut, tetapi jika keamatan laser cukup tinggi, pancaran laser gelombang berterusan boleh digunakan untuk mengablasi bahan. Laser excimer cahaya ultraungu dalam digunakan terutamanya untuk ablasi optik. Panjang gelombang laser yang digunakan untuk ablasi optik adalah kira-kira 200nm. Kedalaman penyerapan tenaga laser dan jumlah bahan yang dikeluarkan oleh satu denyutan laser bergantung pada sifat optik bahan, serta panjang gelombang laser dan panjang denyutan. Jumlah jisim yang diablasi dari sasaran oleh setiap denyutan laser biasanya dipanggil kadar ablasi. Kelajuan pengimbasan pancaran laser dan liputan garisan pengimbasan, dsb., akan mempengaruhi proses ablasi dengan ketara.
Jenis-jenis Teknologi Pembersihan Laser
1) Cucian kering laser: Cucian laser kering merujuk kepada penyinaran langsung bahan kerja pembersihan oleh laser berdenyut, menyebabkan bahan cemar tapak atau permukaan menyerap tenaga dan meningkatkan suhu, mengakibatkan pengembangan haba atau getaran haba tapak, sekali gus memisahkan kedua-duanya. Kaedah ini boleh dibahagikan secara kasar kepada dua situasi: satu ialah bahan cemar permukaan menyerap tenaga laser dan mengembang; yang lain ialah tapak menyerap tenaga laser dan menghasilkan getaran haba. Pada tahun 1969, SM Bedair et al. mendapati bahawa pelbagai kaedah rawatan permukaan seperti rawatan haba, kakisan kimia, dan pembersihan letupan pasir semuanya mempunyai kelemahan yang berbeza. Pada masa yang sama, ketumpatan tenaga yang tinggi selepas pemfokusan laser boleh menjadikan fenomena penyejatan permukaan bahan mungkin, yang membolehkan kemungkinan pembersihan permukaan bahan tanpa pemusnah. Melalui eksperimen, didapati bahawa menggunakan laser suis Q delima dengan ketumpatan kuasa 30 MW/cm2 boleh mencapai pembersihan bahan cemar permukaan bahan silikon tanpa merosakkan tapak, dan buat kali pertama, pembersihan kering laser bahan cemar permukaan bahan telah direalisasikan. Kadar keseluruhan boleh dinyatakan dengan kadar penyingkiran serpihan lapisan filem, seperti berikut:
Dalam formula, ε mewakili indeks tenaga denyut laser, h mewakili indeks ketebalan lapisan filem pencemar dan E mewakili indeks modulus elastik lapisan filem.
2) Pembersihan Basah Laser: Sebelum bahan kerja yang hendak dibersihkan didedahkan kepada laser berdenyut, filem cecair pra-salutan permukaan digunakan. Di bawah tindakan laser, suhu filem cecair meningkat dengan cepat dan mengewap. Pada saat pengewapan, gelombang hentaman dihasilkan, yang bertindak pada zarah pencemar dan menyebabkannya terpisah dari substrat. Kaedah ini memerlukan substrat dan filem cecair tidak bertindak balas antara satu sama lain, sekali gus mengehadkan julat bahan yang berkenaan. Pada tahun 1991, K. Imen et al. menangani masalah bahan pencemar zarah sub-mikron sisa pada permukaan wafer semikonduktor dan bahan logam selepas kaedah pembersihan tradisional digunakan, dan mengkaji aplikasi salutan filem pada permukaan substrat bahan yang boleh menyerap tenaga laser dengan cekap. Seterusnya, menggunakan laser CO2, filem tersebut menyerap tenaga laser dan suhu meningkat dengan cepat dan mendidih, menghasilkan pengewapan letupan, yang menyingkirkan bahan pencemar dari permukaan substrat. Kaedah pembersihan ini dipanggil pembersihan basah laser.
3) Pembersihan Gelombang Kejutan Plasma Laser: Gelombang kejutan plasma laser dijana apabila laser menyinari medium udara dan menyebabkan gelombang kejutan plasma sfera terbentuk. Gelombang kejutan bertindak pada permukaan bahan kerja yang hendak dibersihkan dan melepaskan tenaga untuk menyingkirkan bahan pencemar. Laser tidak bertindak pada substrat, justeru tidak menyebabkan kerosakan pada substrat. Teknologi pembersihan gelombang kejutan plasma laser kini boleh membersihkan zarah dengan diameter beberapa puluh nanometer, dan tiada sekatan pada panjang gelombang laser. Prinsip fizikal pembersihan plasma boleh diringkaskan seperti berikut: a) Pancaran laser yang dipancarkan oleh laser diserap oleh lapisan pencemaran pada permukaan yang dirawat. b) Sejumlah besar penyerapan membentuk plasma yang mengembang dengan pantas (gas tidak stabil yang sangat terion) dan menghasilkan gelombang hentaman. c) Gelombang hentaman menyebabkan bahan pencemar berpecah dan disingkirkan. d) Lebar denyut denyut cahaya mestilah cukup pendek untuk mengelakkan pengumpulan haba yang boleh merosakkan permukaan yang dirawat. e) Eksperimen telah menunjukkan bahawa apabila terdapat oksida pada permukaan logam, plasma dijana pada permukaan logam. Plasma hanya dijana apabila ketumpatan tenaga melebihi ambang, yang bergantung pada lapisan pencemaran atau lapisan oksida yang disingkirkan. Kesan ambang ini sangat penting untuk pembersihan yang berkesan sambil memastikan keselamatan bahan substrat. Rupa plasma juga mempunyai ambang kedua. Jika ketumpatan tenaga melebihi ambang ini, bahan substrat akan rosak. Untuk melakukan pembersihan yang berkesan sambil memastikan keselamatan bahan substrat, parameter laser mesti diselaraskan mengikut situasi untuk memastikan ketumpatan tenaga denyut cahaya berada di antara kedua-dua ambang tersebut. Pada tahun 2001, JM Lee et al. menggunakan ciri bahawa laser berkuasa tinggi menghasilkan gelombang kejutan plasma apabila difokuskan, dan menggunakan laser denyut dengan ketumpatan tenaga 2.0 J/cm2 (jauh lebih tinggi daripada ambang kerosakan wafer silikon) untuk menyinari selari dengan wafer silikon, berjaya membersihkan zarah tungsten 1 μm yang terserap pada permukaan wafer silikon. Kaedah pembersihan ini dipanggil pembersihan gelombang kejutan plasma laser, dan secara tegasnya, pembersihan gelombang kejutan plasma laser adalah sejenis pembersihan laser kering. Tujuan asal ketiga-tiga teknologi pembersihan laser ini adalah untuk membersihkan zarah-zarah kecil pada permukaan wafer semikonduktor. Boleh dikatakan bahawa teknologi pembersihan laser muncul dengan perkembangan teknologi semikonduktor. Walau bagaimanapun, teknologi pembersihan laser telah terus digunakan dalam bidang lain, seperti pembersihan acuan tayar, penyingkiran cat kulit pesawat, dan pemulihan permukaan artifak. Semasa di bawah sinaran laser, gas lengai boleh ditiup ke permukaan substrat. Apabila bahan cemar dikupas dari permukaan, ia akan segera ditiup keluar dari permukaan oleh gas untuk mengelakkan pencemaran semula dan pengoksidaan permukaan.
Yangaplikasi teknologi pembersihan laser
1) Dalam bidang semikonduktor, pembersihan wafer semikonduktor dan substrat optik melibatkan proses yang sama, iaitu memproses bahan mentah menjadi bentuk yang diperlukan melalui pemotongan, pengisaran, dan sebagainya. Semasa proses ini, bahan cemar zarah diperkenalkan, yang sukar disingkirkan dan menyebabkan masalah pencemaran berulang yang teruk. Bahan cemar pada permukaan wafer semikonduktor boleh menjejaskan kualiti percetakan papan litar, sekali gus memendekkan jangka hayat cip semikonduktor. Bahan cemar pada permukaan substrat optik boleh menjejaskan kualiti peranti dan salutan optik, dan boleh menyebabkan pengagihan tenaga yang tidak sekata, sekali gus memendekkan jangka hayat. Memandangkan pembersihan kering laser mudah menyebabkan kerosakan pada permukaan substrat, kaedah pembersihan ini kurang digunakan dalam pembersihan wafer semikonduktor dan substrat optik. Pembersihan basah laser dan pembersihan gelombang kejutan plasma laser mempunyai aplikasi yang lebih berjaya dalam bidang ini. Xu Chuanyi et al. mengkaji pemendapan cat magnet khas skala mikro pada permukaan substrat optik ultra licin sebagai filem dielektrik, dan kemudian menggunakan laser berdenyut untuk pembersihan. Kesan pembersihan adalah baik, walaupun bilangan zarah bendasing per unit luas meningkat, saiz dan luas liputan zarah bendasing berkurangan dengan ketara. Kaedah ini berkesan dapat membersihkan zarah bendasing skala mikro pada permukaan substrat optik ultra licin. Zhang Ping mengkaji pengaruh jarak kerja dan tenaga laser terhadap kesan pembersihan bahan cemar saiz zarah yang berbeza dalam teknologi pembersihan plasma laser. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa untuk zarah polistirena pada substrat kaca konduktif, jarak kerja optimum untuk tenaga 240 mJ ialah 1.90 mm. Apabila tenaga laser meningkat, kesan pembersihan bertambah baik dengan ketara, dan bahan cemar zarah besar lebih mudah dibersihkan.
2) Dalam bidang bahan logam, pembersihan permukaan bahan logam adalah berbeza daripada pembersihan wafer semikonduktor dan substrat optik. Bahan cemar yang hendak dibersihkan tergolong dalam kategori makroskopik. Bahan cemar pada permukaan bahan logam terutamanya termasuk lapisan oksida (lapisan karat), lapisan cat, salutan, dan lampiran lain, dan boleh dikelaskan kepada bahan cemar organik (seperti lapisan cat, salutan) dan bahan cemar bukan organik (seperti lapisan karat). Pembersihan bahan cemar permukaan bahan logam terutamanya untuk memenuhi keperluan pemprosesan atau penggunaan berikutnya, seperti menanggalkan kira-kira 10 μm lapisan oksida daripada permukaan bahagian aloi titanium sebelum kimpalan, menanggalkan salutan cat asal pada permukaan kulit semasa pembaikan besar pesawat untuk memudahkan penyemburan semula, dan membersihkan zarah getah yang dilekatkan pada acuan tayar getah secara berkala untuk memastikan kebersihan permukaan dan kualiti serta jangka hayat acuan. Ambang kerosakan bahan logam adalah lebih tinggi daripada ambang pembersihan laser bahan cemar permukaannya. Dengan memilih laser kuasa yang sesuai, kesan pembersihan yang lebih baik dapat dicapai. Teknologi ini telah digunakan secara matang dalam beberapa bidang. Wang Lihua et al. mengkaji aplikasi teknologi pembersihan laser dalam rawatan kulit oksida pada permukaan aloi aluminium dan aloi titanium. Hasil kajian menunjukkan bahawa penggunaan laser dengan ketumpatan tenaga 5.1 J/cm2 dapat membersihkan lapisan oksida pada permukaan aloi aluminium A5083-111H sambil mengekalkan kualiti substrat yang baik, dan penggunaan laser berdenyut dengan kuasa purata 100 W secara imbasan dapat membersihkan lapisan oksida pada permukaan aloi titanium dengan berkesan dan meningkatkan kekerasan permukaan bahan. Syarikat domestik seperti Ruike Laser, Daqu Laser, dan Shenzhen Chuangxin telah membangunkan peralatan pembersihan laser yang telah digunakan secara meluas untuk membersihkan acuan getah seperti tayar, lapisan karat logam, dan kesan minyak pada permukaan komponen.
3) Dalam bidang peninggalan budaya, pembersihan peninggalan logam dan batu serta permukaan kertas adalah perlu untuk menghilangkan bahan cemar seperti kotoran dan kesan dakwat yang muncul pada permukaannya kerana sejarahnya yang panjang. Bahan cemar ini perlu dibuang untuk memulihkan peninggalan tersebut. Bagi karya kertas seperti kaligrafi dan lukisan, apabila disimpan dengan tidak betul, kulat akan tumbuh pada permukaannya dan membentuk bintik-bintik. Bintik-bintik ini memberi kesan serius kepada penampilan asal kertas, terutamanya untuk kertas yang mempunyai nilai budaya atau sejarah yang tinggi, yang akan menjejaskan penghargaan dan perlindungannya. Zhao Ying dkk. mengkaji kemungkinan penggunaan laser ultraungu untuk membersihkan bintik-bintik kulat pada skrol kertas. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa menggunakan laser dengan ketumpatan tenaga 3.2 J/mm2 untuk mengimbas sekali boleh menghilangkan bintik-bintik nipis, dan mengimbas dua kali boleh menghilangkan bintik-bintik tersebut sepenuhnya. Walau bagaimanapun, jika tenaga laser yang digunakan terlalu tinggi, ia akan merosakkan skrol kertas sambil menghilangkan bintik-bintik tersebut. Zhang Xiaotong dkk. berjaya memulihkan peninggalan gangsa berlapis emas menggunakan kaedah filem cecair penyinaran menegak laser. Zhang Licheng dkk. menggunakan teknologi pembersihan laser dalam pemulihan patung tembikar wanita yang dilukis oleh Dinasti Han. Yuan Xiaodong dkk. mengkaji kesan teknologi pembersihan laser dalam pembersihan peninggalan batu dan membandingkan kerosakan pada jasad batu pasir sebelum dan selepas pembersihan, serta kesan pembersihan kesan dakwat, pencemaran asap, dan pencemaran cat.
Kesimpulan: Teknologi pembersihan laser merupakan teknik yang agak maju, dengan prospek penyelidikan dan aplikasi yang luas dalam bidang ketepatan tinggi seperti aeroangkasa, peralatan ketenteraan, dan kejuruteraan elektronik dan elektrik. Pada masa ini, teknologi pembersihan laser telah berjaya diaplikasikan di beberapa bidang, berkat prestasi pembersihannya yang cekap, mesra alam, dan cemerlang. Bidang aplikasinya semakin berkembang secara beransur-ansur. Perkembangan teknologi pembersihan laser bukan sahaja telah diaplikasikan secara matang dalam bidang seperti penyingkiran cat dan penyingkiran karat, tetapi juga terdapat laporan penggunaan laser untuk membersihkan lapisan oksida pada wayar logam dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Pengembangan medan aplikasi sedia ada dan pembangunan medan baharu merupakan asas kepada pembangunan teknologi pembersihan laser. Penyelidikan dan pembangunan peralatan pembersihan laser baharu dan pembangunan peralatan pembersihan laser baharu akan menunjukkan pembezaan, menghasilkan pelbagai fungsi. Pada masa hadapan, mencapai pembersihan laser automatik sepenuhnya melalui kerjasama dengan robot perindustrian juga boleh dicapai. Trend pembangunan teknologi pembersihan laser adalah seperti berikut:
(1) Memperkukuhkan penyelidikan mengenai teori pembersihan laser untuk membimbing aplikasi teknologi pembersihan laser. Selepas mengkaji sejumlah besar dokumen, didapati bahawa tiada sistem teori matang yang menyokong teknologi pembersihan laser, dan kebanyakan kajian adalah berdasarkan eksperimen. Mewujudkan sistem teori pembersihan laser adalah asas untuk pembangunan dan kematangan teknologi pembersihan laser selanjutnya.
(2) Perluasan medan aplikasi sedia ada dan medan aplikasi baharu. Teknologi pembersihan laser telah berjaya digunakan dalam bidang seperti penyingkiran cat dan penyingkiran karat, dan terdapat laporan penggunaan laser untuk membersihkan lapisan oksida pada wayar logam dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Pengembangan medan aplikasi sedia ada dan pembangunan medan baharu merupakan tanah subur untuk pembangunan teknologi pembersihan laser.
(3) Penyelidikan dan pembangunan peralatan pembersihan laser baharu. Pembangunan peralatan pembersihan laser baharu akan menunjukkan perbezaan. Satu jenis ialah peralatan dengan kesejagatan tertentu yang meliputi pelbagai bidang aplikasi, seperti satu peranti boleh mencapai fungsi penyingkiran cat dan penyingkiran karat secara serentak. Jenis yang lain ialah peralatan khusus untuk keperluan khusus, seperti mereka bentuk lekapan tertentu atau gentian optik untuk mencapai fungsi pembersihan bahan pencemar di ruang kecil. Melalui kerjasama dengan robot perindustrian, pembersihan laser automatik sepenuhnya juga merupakan hala tuju aplikasi yang popular.
Masa siaran: 17 Julai 2025
