赵吉 李天然 于航

摘 要：文章针对典型的光学玻璃基片，分析了激光清洗光学元件的理论基础，讨论了利用打标机清洗光学元件表面的作用方式。讨论了利用打标机对实验室中常用的污染物（皮肤油脂、粉尘、液晶薄膜）进行清洗实验，为了判定清洗效果怎样，利用光学显微镜对得到的实验样品进行观察。经过实验发现：当打标机调Q频率一定时，打标机输出功率越大，清洗效果越明显。当打标机泵浦光源的功率一定时，随着打标机调Q频率增大，清洗效果越明显。

关键词：激光清洗；光学元件；光学显微镜

中图分类号：TN249 文献标志码：A 文章编号：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 激光清洗简介

激光清洗是近年来发展起来的一种新型清除污染物的技术，是利用激光的手段处理待清除物体表层的污垢。激光清洗技术主要包括干式激光清洗方法和湿式激光清洗方法等。干式激光清洗法[4]是利用经调Q或锁模形成脉宽比较窄的激光直接照在待清洗物体上，当需清洗的物体或者其表面上的污染物吸取激光能量产生热膨胀作用时，污染物受到的向外的力大于污染物对物体的吸附力，从而实现对污染物的清除。湿式激光清洗法[4]是在短脉冲激光与物体或其上的污染物作用以前，操作人员向待清除物体表面涂上一层液体薄膜，利用液膜在激光（经调Q或锁模形成脉宽比较窄的激光）作用下的瞬间气化膨胀，将污染物抛掉。

2 激光清洗的理论基础

激光清洗物体表面的污染颗粒包括两个过程，分别为污染颗粒对物体表面的吸附力和激光照射物体表面产生的清洗力。

干式激光清洗法使微粒污染物从物体上清除掉的物理过程是利用短脉冲激光直接照在需要清洗的物体表面，将会导致物体表面的微粒污染物或者物体表面的温度快速提高。物体表面或物体表面上的微粒污染物温度提高就会发生膨胀，热膨胀使微粒污染物或者物体表面振动，从而使微粒克服表面的吸附力，脱离掉待清洗物体的表面。虽然热膨胀很微小，但在短脉冲激光照射下微粒污染物会产生很大的脱离加速度。

（1）对于待清洗物体和小颗粒污染物这一系统，当短脉冲激光照在待清洗物体上时，小颗粒污染物不吸收此波长的激光，这时激光透过小颗粒污染物，则激光光束的大部分能量仅仅被待清洗物体吸收。物体表面的温度迅速提升，将会发生热膨胀作用，热膨胀使物体表面振动使小颗粒污染物被清除掉。

圖1中黑点越密集表示物体表面吸收的脉冲激光的能量越多。物体表面受到脉冲激光的直接照射，物体表面因为温度迅速提升将会发生热膨胀，物体表面产生的热膨胀作用，同时物体表面上的小颗粒污染物又存在相反方向的力的作用。因此，由于物体表面热膨胀将会对小颗粒产生力的作用，由r？驻T（0，t）来表示单位面积产生的力，用f1来定义单位面积的清洗力。

其中：r表示待清洗物体的线性热膨胀系数，E表示待清洗物体的弹性模量。？驻T（0，t）是基底在t时刻的温度升高的量，可由？驻T（0，t）=T（0，t）-T0来确定，其中T0为物体的刚开始的温度。如果清洗力大于吸附力就能够把微粒污染物去除掉。

（2）对于待清洗物体和小颗粒污染物这一系统，激光照在待清洗物体上时，待清洗物体不吸收激光，小颗粒污染物吸收激光发生热膨胀，微粒因振动而被清除掉。

图2中黑点越密表示微粒吸收激光的能量越多。小颗粒污染物因为吸收大部分能量导致温度升高，结果是其产生热膨胀，小颗粒产生的热膨胀作用，同时物体又存在相反方向的力的作用。基底对微粒污染物有吸附力，同时微粒污染物因吸收激光能量而产生的热膨胀这一反向作用力。由于小颗粒污染物的振动对物体施加一个力，同时物体也对小颗粒也有一个反向力的作用，由rE？驻T（d，t）来表示，其中的r和E分别代表微粒的线性热膨胀系数和弹性模量。？驻T（d，t）是微粒与基底接口处的温度升高的量。

当脉冲激光照射小颗粒污染物时，由于污染物不是均匀的，导致小颗粒各部分温度升高的量大小不一样。温度升高使小颗粒污染物发生热膨胀，从而使小颗粒内部产生热应力。由于小颗粒污染物被清除时将会发生移动，由应力与应变之间的关系，我们可以得到如下的除掉污染物条件：

从这两种激光清洗方式可以看出，当待清洗物体对激光强吸收时能更加普遍使用，因为小颗粒污染物有时候并不是单一成分，有时候还不能确定其成分。污染物强吸收时很难选择激光波长并且清洗不是很完全。

（3）对于待清洗物体和小颗粒污染物这一系统，当它们都吸收激光束的能量时，这时清洗力为以上两种清洗力相加。

液膜可以很好的加强清洗效果，可以用更小的能量去除掉同样大小的微粒，清洗效率比较高。但是湿式激光清洗中存在两个困难，一是很难控制待清洗物体表面液层的厚度，二是利用液膜清除污染物可能会带来新的污染。另外，也存在着波长选择困难的问题。

3 实验结果与分析

由于该样品在打标机单次扫描的情况下，现象不是很明显，此时设定为连续扫描。可以发现，当打标机的调Q频率一定时，打标机输出功率越高，清除效果越明显。当激光泵浦功率一定时，打标机调Q的频率越高，清除效果越明显。但是，此时K9基片上的液晶薄膜还有明显的残留，还需要借助其他方法才能够完全清除。

4 结束语

本文在分析激光清洗的基础上，以清洗K9基片作为突破口，针对光学元件表面的皮肤油脂、粉尘、液晶薄膜三种常见的污染物，制定相应的清洗方案。利用打标机并改变其参数进行实验，对得到的实验样品利用光学显微镜进行观察，获得了上述光学元件表面经不同参数激光照射前后的检测数据。根据得到的显微图像进行分析，探讨了能够产生清洗效果的实验条件。

参考文献：

[1]巴瑞章.激光表面处理及应用[J].激光加工技术，1999（增刊）：25-27.

[2]梁治齐.实用清洗技术手册[M].北京：化学工业出版社，2005：30-32.