激光清洗设备介绍

遛　磨　清洗世界２Ｃｌｅａｎｉ０ｎＯｇ６　Ｗｏ，２２ｒｌ（ｄ４　）：２７—３２　激光清洗设备介绍　宋峰　田　彬　邹万芳刘淑静　（南开大学物理学院光子学中心，天津３０００７１）　摘要：现在，一些激光清洗机已经问世。一套激光清洗机的构造主要包括激光器系统　光束　调整传输系统、移动平台系统、实时监测系统、自动控制操作系统等部分。这里介绍了这些部分　的构造及整个激光清洗机的工作原理，并对一些已经在实际中应用的几种激光清洗机给予了详　细介绍。　关键词：激光清洗机；激光清洗系统　中图分类号：ＴＨ７４４．５　文献标识码：Ａ　Ａｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｈｌｓｅｒ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ＳＯＮＧ　Ｆｅｎｇ，ＴＩＡＮ　Ｂｉｎ，ＺＯＵ　Ｗａｎｇｆａｎｇ，ＨＵ　Ｓｈ　ｎｇ　（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｎａｎｋａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｂｅａｍ　ａｄ－　ｊｕｓｌｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｍｏｖａｂｌｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｓｙｓｔｅｍ，ｒｅａｌ　ｉｔｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｓｙｔｅｍ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎａｄ　ｏｐｅａｒｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ８　ｗｅｌｌ　ａ８　ｉｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｆｉｎｃｉｐｌｅ，Ｗｇｇ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｏｍｅ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　ｌａｓｅｒ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ　ｃｌｅａｎｉｎｇ；ｌａｓｅｒ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　前面我们已经介绍了激光清洗的原理、分类、特　点等方面的知识，使大家对激光清洗有了一个比较　１　基本构造　全面的了解。在实际应用中，需要一台完整、可靠的　从严格的意义上来讲，激光清洗机并没有一个　激光清洗设备，即激光清洗机。它是激光技术和其　标准的、统一的结构，它需要根据具体的清洗方式、　它相关技术结合的产物，是激光清洗技术的最终实　清洗对象、使用环境以及自动化程度等因素决定。　物载体。目前国际上已经出现了商用的激光清洗　但是，分析一些已有的激光清洗机产品，可以发现它　机。本文将一些公开报道的激光清洗设备进行了归　们在一些基本的结构上还是大致相同的。一台完整　纳、分析和总结，对其基本构造、工作原理以及已经　的激光清洗机一般要具备以下几个部分：激光器系　运用的部分激光清洗机予以介绍。　统、光束调整传输系统、移动平台系统、实时监测系　收稿日期：２ＯＯ６—０２—１３　作者简介：宋￣（１９６９一），男，江苏人，教授，博士生导师，从事激光技术及其应用、发光技术、光纤维技术等研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

清洗世界　第４期　统、半／全自动控制操作系统以及其它辅助系统。下　面我们分别给予说明。　１．１激光器系统　它是激光清洗机的核心部分，需要根据清洗对　象和清洗方式来决定。激光器主要有ｃｏ２激光器，　Ｒｕｂｙ激光器，Ｎｄ　２ＹＡＧ激光器，或准分子激光器等，　其参数主要有输出波长，工作方式（脉冲、连续），脉　冲长度（ｍｓ量级、　量级、Ｉ１Ｓ量级），重复频率，输出　功率／能量。通常由实际清洗任务的需要来决定采　用何种清洗方式，进而选择所需要的激光器以及相　应的工作参数。具体的内容我们在前面的章节中已　经详细介绍过了。比如，对于脱漆，我们一般采用干　式清洗法，可以选择Ｃ０２激光器，它以连续方式工　作，能使漆层受热灼烧挥发，它的功率一般较大（１０３　ｗ以上），可以获得比较高的清洗效率，适用于清除　面积比较大且对于清洗精度要求不是很高的漆层。　１．２光束调整传输系统　它一般是由一些特殊的光学元件组成，其目的　是根据实际要求来调整激光器输出激光的光斑形　状、大小、能量分布。尽管激光清洗机的使用范围主　要是由它所使用的激光器类型及工作方式决定的，　然而对光束的控制也是决定激光清洗机的使用范围　和清洗效率的关键因素。由于激光器输出的光束是　高斯型的，这就造成在其辐射面积内，光束的能量密　度并不是均匀分布的，中心附近的能量密度要高于　周围的能量密度许多，这样在清洗样品时就必须以　中心附近的能量密度为基准，从而使周围部分无法　清除干净造成了能量浪费，影响了清洗效率。如果　我们使用光学器件使其能量均匀分布，甚至将光斑　形状变为矩形，这样就可以充分利用激光的能量，也　就提高了清洗效率。对于同种类型的清洗方式和机　制，当激光器的功率／能量一定时，我们就可以根据　被清洗污物或微粒的难易程度，简单的通过调整光　斑的面积来使输出激光具有不同的能量密度，理论　上我们可以将光斑变得很小，从而使其具有极高的　清洗能力。有时为了将激光输送到指定的清洗位　置，可以采用光纤来传输激光束，它的优点是适用范　围广泛，操作方便灵活，输出的光斑能量分布比较均　匀；其缺点是会损失一些能量，当传输距离较长时尤　为明显，同时输出光斑的模式不够稳定。此外还可　以采用导光臂来传输光束，它主要由透镜和反射镜　组成，可以最大限度地保持光束的形状。　１．３移动平台系统　对于清洗效果要求较高的场合，一套稳定、准确　的移动平台系统是必不可少的。它是通过步进电机　等驱动装置来带动清洗平台移动的系统，可以分为　主动式与被动式。主动式是指将被清洗物品置于移　动平台上，激光器保持位置不动，通过移动平台来清　除样品的各个位置，主要用于较小和便于拆卸的清　洗部件；被动式正相反，被清洗物体不动，移动平台　带动激光器或激光输出端运动来进行清洗。根据被　清洗物体结构的复杂程度，清洗平台的移动一般是　二维或三维的，有的甚至可以旋转或做其它复杂运　动，同时移动的精度也不尽相同，有的步长可以精确　到　量级。当然也可以采取由清洁人员手持激光　输出端来手动清洗，但比较危险，精度较低，一般当　被清洗物体结构较复杂时，采用此方法来清洗一些　不规则的部位。　１．４实时监测系统　这一部分主要用来在清洗过程中监测被清洗污　物的清除效果，并将监测信息及时反馈给控制系统，　由其决定清洗过程是否继续或终止。但是目前对于　激光清洗的监测还没有一个公认的比较有效、准确　且实用的方法。现在使用的监测系统大体可分为两　大类，一类是光检测方法，即通过使用激光能量计或　光谱仪等来测量清洗过程中的光信号（该光信号可　以是另外一种比较弱的激光，而不是用于清洗的激　光。检测光可外加）的变化情况来达到监测的目的；　另一类是声检测方法，即通过使用麦克风等声学仪　器来收集和处理清洗过程中所发出的声信号来进行　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２２卷　宋峰等．激光清洗设备介绍　———　————。————　——’——————　——　——————　—’————一　・２９・　监测。监测系统一般比较复杂，且成本较高，主要用　清洗过程结束。　于一些对清洗精度要求较高的场合；在一般情况下，　清洗的检测主要是由现场的清洁人员直接观测或借　助相关仪器来完成，缺乏实时性和准确性，但在清洗　要求不高的情况下也是完全可以的。　１．５自动控制操作系统　它是整套激光清洗机的控制中枢，用于控制和　协调其它各部分系统，使它们协同工作来完成清洗　任务。它的核心部分一般是一台可以分析和处理各　种数据信息的单片机或计算机，并辅以一套相应的　控制软件，清洁人员通过控制它，只需输入一些简单　的控制指令，便能够达到操纵整个激光清洗过程的　目的。这一部分虽然比较复杂，但现在的自动化和　计算机控制技术已经发展的比较成熟，所以实现起　来并不困难。　除了上面的基本部分以外，结合不同的清洗方　法和清洗环境的要求，还有一些其它的辅助系统。　比如用于准确清除特定部位的激光光束定位系统；　用于排除已清除物质灰尘二次污染的喷气和抽尘系　统；用于湿式激光清洗的镀膜和保湿系统等等。有　些在前面的章节中已经给予了介绍。　２激光清洗机工作原理　图１是一套比较完整的激光清洗系统的结构原　理图。激光清洗机的工作方式如下，首先由自动控　制系统对激光器发出工作指令，并使激光器工作在　已经设定好的工作模式，激光器发出的激光束经过　光束调整输出装置“整形”后输出到固定被清洗样品　的移动平台上来清除其表面污物（也可以将待清洗　样品固定，激光器或光束传输系统置于移动平台　上），并由监测系统监控着样品的清洗情况，当达到　清洗的标准时，监测系统就向控制系统发出清洗完　成指令，自动控制系统便控制着移动平台按照设定　的运动方式移动到下一个清洗位置继续清洗，同时　向监测系统发出继续监测信号，如此往复，直至整个　蔽　＿＿１　激光器系统　飘　监　测　自动控制　系　移动平台系统　统　操作系统　图１激光清洗系统的结构原理图　３　国内外激光清洗机简介　基于前面介绍的激光清洗机的结构和工作原　理，目前国内外已经有一些科研机构和公司开始设　计和制造应用于各种清洗领域的激光清洗机，有的　已经制成产品并投入实际使用。由于国外对激光清　洗技术的研究较早，对于激光清洗机的研制一直处　于领先水平，所以目前激光清洗设备主要是由外国　科研机构和企业研制的。下面根据其所使用的激光　器的种类和用途，介绍几台国外制造的典型的激光　清洗机的性能和特点。　３．１使用Ｎｄ：ＹＡＧ激光的激光清洗机　１）用于清除表面涂层　Ｃｒａｉｇ　Ｔ．Ｗａｉｔｅｒｓ领导的研究小组制造的用于清　除有机涂覆层的激光清洗机（图２），它选用的是以脉　冲方式工作的ｌ　０６４　ｎｍ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，其脉冲　宽度为１５—３０　１１８，重复频率为１Ｏ一２０　Ｈｚ，当激光器　平均功率为７　Ｗ时，对于相同的基底，根据涂覆层的　类型和厚度不同，清洗速率可介于３到５０　ｃｍ２／ｍｉｎ　之间。它使用导光光纤来传导激光，通过操作人员　手持导光装置输出端来将激光输出到指定的清洗部　位，使用起来比较简单、方便，但自动化程度比较低，　适用于比较简单的操作环境以及科学研究。该激光　清洗机虽然已经成型，但是仪器本身还不够完善，某　些地方设计比较粗糙，缺乏广泛应用于实际使用的　安全和可靠性保障。　２）用于清除表面污物　法国Ｑｕａｎｔｅｌ公司从１９９４年起开发了１．ａｓｅｒｂｌａｓｔ　维普资讯 http://www.cqvip.com

清洗世界　第４期　图２清除有机涂层的激光清洗机　系列用于表面清洗的激光清洗机产品，主要型号有　Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ　６０，５０Ｏ，１０００和２００ｏ型。Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ激光　清洗系列产品的特色是通过使用光纤来传输激光，　使激光达到被清洗物体的表面，从而使之具有优良　的清洗性能及较高的人体工程学特点，并且能够非　常方便、快速地安装在机器手等自动化系统上。此　外，由于采用了独有的光纤传输技术，使得输出激光　束的能量分布呈平坦曲线状（即ＴｏｐＨａｔ型），激光束　中的所有能量都以最佳方式被充分利用，从而获得　良好的清洗效果，提高了清洗效率。Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ　６０型　为可移动式小型激光清洗机（图３），它主要用于精密　器件，文物艺术品等小范围高精度清洗领域。它使　用的是１　０６４　ｎｍ波长的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，额定平均　输出功率为８　ｗ，采用光纤传输激光。其主要特点　是具有可见光瞄准定位系统；安全连锁系统；应急停　止系统；具有串行ＲＳ２３２接口，可用于连接计算机进　行诊断维护和精密操控。　图３　ｋａｓｅｒｂｌａｓｔ　６０型激光清洗机　Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ　５００型为可移动式激光清洗机（图４），　主要用于露天或重尘等恶劣复杂工作环境的清洗任　务。为了适应这种环境，其产品将激光器单元和冷　却单元分别设计为可移动式，其传输光纤还具有特　殊外壳保护，这样使仪器使用起来灵活方便，且安全　性高。它同样使用的是１０６４　ｎｎｌ波长的Ｎｄ：ＹＡＧ激　光器，额定平均输出功率为２０　ｗ，光纤传输激光。　除了具有前面介绍的６ｏ型机的特点外，还具有近距　探测器以及三维安全触发器。　图４　Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ　５００激光清洗机　Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ　１０００型为可移动式工业激光清洗机　（图５），它主要使用于大型工业器件设备的清洗。它　使用Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，波长１　０６４　ｎｎｌ，额定平均输出　功率为４０　ｗ。其激光束由光缆传输并具有保护外　壳，同时为满足不同用途的需要，它配备了专门的导　光炬；工作台按照ＩＰ５５标准制作（防水防尘），可以　固定也可以用配备带滚轮的底座方便移动；当使用　机械手或机器人时，该系统可以完全实现计算机控　制。　图５　Ｉａｓｅｒｂｌａｓｔ　１０００型激光清洗机　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２２卷　宋峰等．激光清洗设备介绍　除此以外，该公司还制造了由“Ｌａｓｅｒｂｌａｓｔ　５００”和　“ＩＡＭＡ控制箱”组合而成的可用于城市建筑物和古　建筑清洁维护的Ｌａｓｅｒｂｌ￣ｔ　Ｉ　ＡＭＡ型激光清洗机等产　品，可以说该公司目前是世界范围内能够生产专业　正规激光清洗机的厂商之一。　２．２使用ｃｏ２激光的激光清洗机　１）用于轮胎模具清洗　ＴＭＣｓ　Ｔｉｒｅ　Ｍｏｄｅ　Ｃｌｅａｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ（图６）激光清洗　系统是德国的ＪＥＴ激光系统股份有限公司（ＪＥＴ　Ｌａｓｅｒｓｙｓｔｅｍｅ　ＧｍｂＨ）生产的用于清洗轮胎模具表面残　留的橡胶污物的激光清洗机。ＴＭＣＳ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｌｅａｎｅｒ使　用的是ＣＯ２一ＴＥＡ激光器，其脉冲宽度为ｍ８一　量　级，对于１　ｃｍ２激光辐射范围，清洗深度可以达到０．　０１　ｍｍ。该仪器具有极Ｉ商的清洗质量，可以自动地清　洗模具的每个部分，凹槽下部的精密的五维坐标扫　描装置引导激光输出，在保证模具完全不受损的情　况下，可以彻底清除模具侧面的每个角落，同时将清　除的残渣及时地抽走和过滤；可移动的机身能够实　现在线或离线清洗，免去了拆卸和牵引模具的麻烦，　根据模具的大小、复杂程度以及硬化周期，清洗一套　模具的时问一般在４５—９０　ｍｌｎ；同时方便灵活的清　洗方式可以清洗由普通方式压制的两部分组合而成　的模具，标准的ＪＥＴ清洗单元可以清洗胎圈直径为　ｌ３—２１　ｉｎｃｈ的轮胎模具，对于其他尺寸更大的模具　则需要拆卸成适当尺寸的部件进行离线清洗；整个　清洗过程完全自动完成，不需要任何手动清洗过程，　为清洁人员提供了良好的安全保障。　响亮６　ＴＭＣＳ激光清洗机　。２）用于结合处表面预处理　由ＪＥＴ公司生产的Ｆｌｅｘ　ＥＪＴ　Ｃａｂｌｅ　Ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ　Ｓｙｓ－　ｅｔｍ和Ｂｌｅｓｓ　Ｔｕｂｅ　Ｄｅｅｏａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ激光清洗系统可以　用来剥离金属管、光缆等物体上的各种涂层或包层　（例如ＰＡ，ＰＶＣ，ＦＩＦＥ），其系统采用的是ｃｏ２激光　器。该系统的结构设计巧妙，可以剥离出各种形状　和大小的图案；可以完全实现自动化操作，能够精确　地沿边缘清除掉所要清除的包层，其精度可以达到　１００　ｐ．ｍ，典型清洗速度可以达到５０删ｎ３／ｓ。　２．３使用准分子激光的激光清洗机　１）用于模具清洗　Ｍ０ｌｄＪ】阻　ｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｕｂｂｅｒ　Ｍｏｌｄ　Ｃｌｅａｎｉｇｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　激光清洗系统（图７）也是德国ＪＥＴ公司的产品，它主　要用来清除非轮胎模具以外其它各种类型的模具。　与前面介绍的ＴＭＣＳ系统类似，Ｍ０ｌｄＪ】阻具有电脑数　字控制装置，过滤装置，冷却装置等辅助系统，但由　于Ｍ０ｌｄＪＥＩ＇Ｌａｓｅｒ　Ｃｌｅａｎｅｒ可以使用脉冲宽度更短的准　分子激光器，所以它能够用来清除一些与模具结合　的更加牢固的细小微粒。ＭｏｌｄＪＥＴ系统的激光清洗　头由一个四维坐标扫描装置构成，能够以不同的挺　进角清洗模具表面的每个部分。整台仪器在方便清　洗其它类型模具的同时，兼具ＴＭＣＳ的优良特性。　图７　ＭｏｌｄＪＥｒ激光清洗机　２）用于电子线路清洗　美国ＵＳＨＩＯ公司生产的Ｅｘｃｉｍｅｒ　ＶｕＶ／０３　Ｃｌｅａｎ－　ｉｎｇ　ｓｙｓｔ锄激光清洗系统可以满足微电子行业的高　精度清洗作业。其激光器系统采用的是特殊设计的　维普资讯 http://www.cqvip.com

・３２・　清洗世界　第４期　准分子激光器，它具有单模辐射且带宽极窄的特点，　理，软性灰化，提高其与固气溶胶、光致抗蚀剂的可　可以辐射不同于一般准分子激光器紫外脉冲激光的　湿性和粘着力，高速去静电，刻蚀线路清洗等各种电　波长为１７２ｎｍ的真空紫外脉冲激光，其单光子能量　子工艺。　可以达到１６６．７　ｋｃａｌ／ｍｏｌ，大于常见有机物化学键　（例如Ｏ—Ｏ、Ｏ—Ｈ、Ｃ—Ｈ等）的结合能；同时极高的　３　结束语　能量转换效率（１０％）可以保证其能够高效的清除半　相对于国外的激光清洗机专门生产公司，国内　导体晶片上的各种微小有机污染微粒；该仪器还可　的激光清洗市场目前还没有被充分重视，对于激光　以控制每次输出脉冲的能量，可以用于清除各种不　清洗机的研究和制造尚处于起步阶段，几乎没有可　同性质的微粒而不损坏基底；此外该系统的激光辐　以具备独立生产激光清洗系统能力的正规企业。目　射方向相当自由，能够使输出光方向与产品生产线　前国内除了一些代理国外激光清洗机的公司之外，　上的待清洗基底平面始终保持垂直。该产品使用广　只有少数几家科研单位能够或具备研制一些结构性　泛，能够满足液晶单元、半导体单元等各种电子元件　能比较简单的激光清洗系统，比如中科院安徽光学　的清洗要求，其中ＵＶＳ一４２００型为半导体单元激光　精密机械研究所研制的激光清洗机，它具有快速响　清洗机（图８），可用于半导体元件的沉积前表面清　应光闸，功率实时显示；同步进行扫描的红色校准　光；激光能量、光束直径可调等特点，主要用于各种　模具、部件的清洗。我们课题组也正在研究各种激　光清洗机理，得到了很多有用的实验数据，并正在着　手开发用于除锈脱漆去油污的激光清洗机。相信随　着激光清洗技术的推广，国内激光清洗市场的开发，　各类资金的注入，以及人们环保意识的增强和国家　对环保的重视，国内的激光清洗机生产和应用市场　图８美国ＵＳＨＩＯ公司激光清洗机　一定可以得到长足的发展。　・勘误・　；；《清洗世界）２　；ｌ　ｌｌｌ　００６年第３期“激光清洗的其它应　｝｝　｝　Ｉ；｝｝　ｉ　｛ｊ；。Ｉｌ　，　｝ｉ｝　｝　｝　《≯　§　ｌ　｝　ｆ　用”一文中，“而对模具基材表面无任何损伤，清洗的　时间为４０ｓ。”后（第３９页）图２有误，实际图应为右　图所示，特此更正，并在此向此文作者宋峰等老师和　广大读者表示歉意！　图２激光清洗后的汽车轮胎模具表面　本刊编辑部　；　ｌ