העיקרון, הסוגים והיישומים של טכנולוגיית ניקוי לייזר

העיקרון, הסוגים והיישומים שלניקוי לייזרטֶכנוֹלוֹגִיָה

טכנולוגיית ניקוי לייזר היא יישום מוצלח של טכנולוגיית לייזר בתחום ההנדסה. העיקרון הבסיסי שלה הוא ניצול צפיפות האנרגיה הגבוהה של הלייזר כדי לתקשר עם מזהמים הדבוקים למצע של חומר העבודה, ולגרום להם להיפרד מהמצע בצורה של התפשטות תרמית מיידית, התכה ואידוי גזים. טכנולוגיית ניקוי לייזר מאופיינת ביעילות גבוהה, ידידותיות לסביבה וחיסכון באנרגיה. היא יושמה בהצלחה בתחומים כמו ניקוי עובש צמיגים, הסרת צבע מרכב מטוסים ושיקום שרידים תרבותיים.

טכנולוגיות ניקוי מסורתיות כוללותניקוי חיכוך מכני(ניקוי בהתזת חול, ניקוי בלחץ מים גבוה וכו'), ניקוי קורוזיה כימי, ניקוי אולטרסאונד, ניקוי קרח יבש וכו'. טכנולוגיות ניקוי אלו נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות שונות. לדוגמה, ניקוי בהתזת חול יכול להסיר כתמי חלודה ממתכת, קוצים על פני מתכת ולכה עמידה לשלוש על לוחות מעגלים על ידי בחירת חומרי שוחקים בעלי קשיות שונה. טכנולוגיית ניקוי קורוזיה כימית נמצאת בשימוש נרחב בניקוי כתמי שמן על משטחי ציוד, אבנית בדוודים וצנרת נפט. למרות שטכנולוגיות ניקוי אלו פותחו היטב, עדיין יש להן כמה בעיות. לדוגמה, ניקוי בהתזת חול יכול בקלות לגרום נזק למשטח המטופל, וניקוי קורוזיה כימי יכול לגרום לזיהום סביבתי ולקורוזיה של המשטח המנוקה אם לא מטופל כראוי. הופעתה של טכנולוגיית ניקוי לייזר מייצגת מהפכה בטכנולוגיית הניקוי. היא מנצלת את צפיפות האנרגיה הגבוהה, הדיוק הגבוה והעברה יעילה של אנרגיית לייזר, ויש לה יתרונות ברורים על פני טכנולוגיות ניקוי מסורתיות מבחינת יעילות הניקוי, דיוק הניקוי ומיקום הניקוי. היא יכולה למנוע ביעילות זיהום סביבתי הנגרם על ידי ניקוי קורוזיה כימי וטכנולוגיות ניקוי אחרות, ולא תגרום נזק למצע.

העקרון ניקוי הלייזר

אז מהו ניקוי לייזר? ניקוי לייזר הוא תהליך שבו משתמשים בקרן לייזר להסרת חומר מפני השטח של מוצק (או לפעמים נוזל). בשטף לייזר נמוך, החומר מחומם על ידי אנרגיית הלייזר הנספגת ומתאדה או מתעבה. בשטף לייזר גבוה, החומר הופך בדרך כלל לפלזמה. בדרך כלל, ניקוי לייזר מתייחס להסרת חומר באמצעות לייזרים פולסים, אך אם עוצמת הלייזר גבוהה מספיק, ניתן להשתמש בקרן לייזר גל רציף כדי להסיר את החומר. לייזר אקסימר של אור אולטרה סגול עמוק משמש בעיקר לאבלציה אופטית. אורך הגל של הלייזר המשמש לאבלציה אופטית הוא כ-200 ננומטר. עומק הבליעה של אנרגיית הלייזר וכמות החומר המוסר על ידי פעימת לייזר אחת תלויים בתכונות האופטיות של החומר, כמו גם באורך הגל של הלייזר ובאורך הפולס. המסה הכוללת שנאספת מהמטרה על ידי כל פעימת לייזר נקראת בדרך כלל קצב אבלציה. מהירות הסריקה של קרן הלייזר וכיסוי קו הסריקה וכו' ישפיעו באופן משמעותי על תהליך האבלציה.

סוגי טכנולוגיית ניקוי לייזר

1) ניקוי יבש בלייזר: ניקוי לייזר יבש מתייחס לקרינה ישירה של חומר העבודה המנוקה באמצעות לייזר פולס, הגורמת לבסיס או למזהמי פני השטח לספוג אנרגיה ולעלות בטמפרטורה, וכתוצאה מכך להתפשטות תרמית או רטט תרמי של הבסיס, ובכך להפריד בין השניים. ניתן לחלק שיטה זו באופן גס לשני מצבים: האחד הוא שמזהמי פני השטח סופגים אנרגיית לייזר ומתרחבים; השני הוא שהבסיס סופג אנרגיית לייזר ויוצר רטט תרמי. בשנת 1969, SM Bedair ועמיתיו גילו כי לשיטות טיפול פני שטח שונות כגון טיפול בחום, קורוזיה כימית וניקוי בהתזת חול יש חסרונות שונים. יחד עם זאת, צפיפות האנרגיה הגבוהה לאחר מיקוד בלייזר יכולה לאפשר את תופעת אידוי פני השטח של החומר, מה שמאפשר ניקוי לא הרסני של פני השטח של החומר. באמצעות ניסויים, נמצא כי שימוש בלייזר רובי Q עם צפיפות הספק של 30 MW/cm2 יכול להשיג ניקוי של מזהמי פני השטח של חומר סיליקון מבלי לפגוע בבסיס, ולראשונה, ניקוי יבש בלייזר של מזהמי פני השטח של החומר הושג. ניתן לבטא את הקצב הכולל באמצעות קצב ניתוק שברי שכבת הסרט, באופן הבא:

בנוסחה, ε מייצג את מדד אנרגיית פולס הלייזר, h מייצג את מדד העובי של שכבת הסרט המזהם, ו-E מייצג את מדד מודול האלסטיות של שכבת הסרט.

2) ניקוי רטוב בלייזר: לפני חשיפת חומר העבודה המיועד לניקוי ללייזר הפועם, מוחל סרט נוזלי לציפוי מקדים על פני השטח. תחת פעולת הלייזר, טמפרטורת הסרט הנוזלי עולה במהירות ומתאדה. ברגע האידוי נוצר גל פגיעה, הפועל על חלקיקי המזהמים וגורם להם להתנתק מהמצע. שיטה זו דורשת שהמצע וסרט הנוזלי לא יגיבו זה עם זה, ובכך מגבילה את מגוון החומרים המתאימים. בשנת 1991, ק. אימן ועמיתיו התייחסו לבעיית שיורי מזהמי חלקיקים תת-מיקרון על פני השטח של פרוסות מוליכים למחצה וחומרי מתכת לאחר שימוש בשיטות ניקוי מסורתיות, וחקרו את יישום ציפוי הסרט על פני מצע החומר שיכול לספוג ביעילות אנרגיית לייזר. לאחר מכן, באמצעות לייזר CO2, הסרט ספג את אנרגיית הלייזר ועלה במהירות בטמפרטורה ורתח, מה שיצר אידוי נפיץ, שהסיר את המזהמים מפני השטח של המצע. שיטת ניקוי זו נקראת ניקוי רטוב בלייזר.

3) ניקוי גלי הלם פלזמה בלייזר: גלי הלם פלזמה בלייזר נוצרים כאשר הלייזר מקרין את תווך האוויר וגורם להיווצרות גל הלם פלזמה כדורי. גל ההלם פועל על פני השטח של חומר העבודה המיועד לניקוי ומשחרר אנרגיה להסרת המזהמים. הלייזר אינו פועל על המצע, ולכן אינו גורם נזק למצע. טכנולוגיית ניקוי גלי הלם פלזמה בלייזר יכולה כעת לנקות חלקיקים בקוטר של כמה עשרות ננומטרים, ואין הגבלות על אורך הגל של הלייזר. ניתן לסכם את העיקרון הפיזיקלי של ניקוי פלזמה כדלקמן: א) קרן הלייזר הנפלטת מהלייזר נספגת על ידי שכבת הזיהום על פני השטח המטופלים. ב) כמות הבליעה הגדולה יוצרת פלזמה המתפשטת במהירות (גז לא יציב מיונן מאוד) ויוצרת גל פגיעה. ג) גל הפגיעה גורם למזהמים להתפצל ולהסיר אותם. ד) רוחב הפולס של פולס האור חייב להיות קצר מספיק כדי למנוע הצטברות תרמית שעלולה לפגוע במשטח המטופל. ה) ניסויים הראו שכאשר יש תחמוצות על פני המתכת, פלזמה נוצרת על פני המתכת. פלזמה נוצרת רק כאשר צפיפות האנרגיה עולה על הסף, התלוי בשכבת הזיהום או בשכבת התחמוצת שהוסרה. אפקט סף זה חשוב מאוד לניקוי יעיל תוך הבטחת בטיחות חומר המצע. למראה הפלזמה יש גם סף שני. אם צפיפות האנרגיה עולה על סף זה, חומר המצע יינזק. כדי לבצע ניקוי יעיל תוך הבטחת בטיחות חומר המצע, יש להתאים את פרמטרי הלייזר בהתאם למצב כדי להבטיח שצפיפות האנרגיה של פולס האור תהיה בדיוק בין שני הספים. בשנת 2001, JM Lee ועמיתיו ניצלו את המאפיין שללייזרים בעלי עוצמה גבוהה מייצרים גלי הלם פלזמה כאשר הם ממוקדים, והשתמשו בלייזר פולסים עם צפיפות אנרגיה של 2.0 J/cm2 (גבוה בהרבה מסף הנזק של פרוסות סיליקון) כדי להקרין במקביל לפרוסת הסיליקון, ולנקות בהצלחה חלקיקי טונגסטן בעובי 1 מיקרומטר שנספחו על פני פרוסת הסיליקון. שיטת ניקוי זו נקראת ניקוי גלי הלם פלזמה בלייזר, ולמעשה, ניקוי גלי הלם פלזמה בלייזר הוא סוג של ניקוי לייזר יבש. המטרה המקורית של שלוש טכנולוגיות ניקוי לייזר אלו הייתה לנקות את החלקיקים הזעירים על פני השטח של פרוסות מוליכים למחצה. ניתן לומר שטכנולוגיית ניקוי הלייזר צצה עם התפתחות טכנולוגיית המוליכים למחצה. עם זאת, טכנולוגיית ניקוי הלייזר יושמה באופן רציף בתחומים אחרים, כגון ניקוי עובש צמיגים, הסרת צבע של עורות מטוסים ושיקום משטחי חפצים. בעוד שתחת קרינת לייזר, גז אינרטי יכול להיות מרוסק על פני השטח של המצע. כאשר המזהמים מתקלפים מהשטח, הם יתנשפו מיד על ידי הגז כדי למנוע זיהום חוזר וחמצון של פני השטח.

היישום טכנולוגיית ניקוי לייזר

1) בתחום המוליכים למחצה, ניקוי פרוסות מוליכים למחצה ומצעים אופטיים כרוך באותו תהליך, שהוא עיבוד חומרי הגלם לצורות הנדרשות באמצעות חיתוך, טחינה וכו'. במהלך תהליך זה, מוכנסים מזהמים חלקיקים, שקשה להסירם וגורמים לבעיות זיהום חוזרות ונשנות חמורות. המזהמים על פני פרוסות המוליכים למחצה יכולים להשפיע על איכות הדפסת מעגלים חשמליים, ובכך לקצר את תוחלת החיים של שבבי המוליכים למחצה. המזהמים על פני המצעים האופטיים יכולים להשפיע על איכות התקנים אופטיים וציפויים, ועלולים להוביל לפיזור אנרגיה לא אחיד, ולקצר את תוחלת החיים. מכיוון שניקוי יבש בלייזר נוטה לגרום נזק לפני המצע, שיטת ניקוי זו נמצאת בשימוש פחות בניקוי פרוסות מוליכים למחצה ומצעים אופטיים. לניקוי רטוב בלייזר ולניקוי גלי הלם פלזמה בלייזר יש יישומים מוצלחים יותר בתחום זה. שו צ'ואני ועמיתיו חקרו את שקיעת צבע מגנטי מיוחד בקנה מידה מיקרוסקופי על פני המצעים האופטיים החלקים במיוחד כסרט דיאלקטרי, ולאחר מכן השתמשו בלייזר פולס לניקוי. אפקט הניקוי היה טוב, למרות שמספר חלקיקי הטומאה ליחידת שטח גדל, גודל ושטח הכיסוי של חלקיקי הטומאה הופחתו משמעותית. שיטה זו יכולה לנקות ביעילות את חלקיקי הטומאה בקנה מידה מיקרוסקופי על פני השטח של מצעים אופטיים חלקים במיוחד. ג'אנג פינג חקר את השפעת מרחק העבודה ואנרגיית הלייזר על אפקט הניקוי של מזהמים בגדלים שונים של חלקיקים בטכנולוגיית ניקוי פלזמה בלייזר. תוצאות הניסוי הראו שעבור חלקיקי פוליסטירן על מצעי זכוכית מוליכים, מרחק העבודה האופטימלי לאנרגיה של 240 mJ היה 1.90 מ"מ. ככל שאנרגיית הלייזר גדלה, אפקט הניקוי השתפר משמעותית, ומזהמים של חלקיקים גדולים היו קלים יותר לניקוי.

2) בתחום חומרי המתכת, ניקוי משטחי חומרי מתכת שונה מניקוי פרוסות מוליכים למחצה ומצעים אופטיים. המזהמים שיש לנקות שייכים לקטגוריה המקרוסקופית. המזהמים על פני השטח של חומרי מתכת כוללים בעיקר שכבת תחמוצת (שכבת חלודה), שכבת צבע, ציפוי ונושפים אחרים, וניתן לסווג אותם למזהמים אורגניים (כגון שכבת צבע, ציפוי) ומזהמים אנאורגניים (כגון שכבת חלודה). ניקוי מזהמי פני השטח של חומרי מתכת נועד בעיקר לעמוד בדרישות העיבוד או השימוש העוקבים, כגון הסרת כ-10 מיקרון של שכבת תחמוצת מפני השטח של חלקי סגסוגת טיטניום לפני הריתוך, הסרת ציפוי הצבע המקורי מפני השטח במהלך תיקונים גדולים של כלי טיס כדי להקל על ריסוס חוזר, וניקוי קבוע של חלקיקי הגומי המחוברים לתבנית צמיגי הגומי כדי להבטיח את ניקיון פני השטח ואת איכות ותוחלת החיים של התבנית. סף הנזק של חומרי מתכת גבוה מסף הניקוי של מזהמי פני השטח שלהם בלייזר. על ידי בחירת לייזר כוח מתאים, ניתן להשיג אפקט ניקוי טוב יותר. טכנולוגיה זו יושמה באופן בוגר בתחומים מסוימים. וואנג ליהואה ואחרים. חקרו את היישום של טכנולוגיית ניקוי לייזר בטיפול בעורות תחמוצת על פני השטח של סגסוגות אלומיניום וסגסוגות טיטניום. תוצאות המחקר הראו כי שימוש בלייזר בעל צפיפות אנרגיה של 5.1 ג'ול/סמ"ר יכול לנקות את שכבת התחמוצת על פני השטח של סגסוגת אלומיניום A5083-111H תוך שמירה על איכות טובה של המצע, ושימוש בלייזר פולס בעל הספק ממוצע של 100 וואט באופן סריקה יכול לנקות ביעילות את שכבת התחמוצת על פני השטח של סגסוגות טיטניום ולשפר את קשיות פני החומר. חברות מקומיות כמו Ruike Laser, Daqu Laser ו-Shenzhen Chuangxin פיתחו ציוד ניקוי לייזר שנמצא בשימוש נרחב לניקוי תבניות גומי כגון צמיגים, שכבות חלודה ממתכת וכתמי שמן על פני השטח של רכיבים.

3) בתחום השרידים התרבותיים, ניקוי של שרידי מתכת ואבן ומשטחי נייר הוא הכרחי כדי להסיר מזהמים כגון לכלוך וכתמי דיו המופיעים על פני השטח שלהם עקב ההיסטוריה הארוכה שלהם. יש להסיר מזהמים אלה כדי לשחזר את השרידים. עבור עבודות נייר כגון קליגרפיה וציורים, כאשר מאוחסנים בצורה לא נכונה, עובש צומח על פני השטח שלהם ויוצר כתמים. כתמים אלה משפיעים קשות על המראה המקורי של הנייר, במיוחד עבור נייר בעל ערך תרבותי או היסטורי גבוה, דבר שישפיע על הערכתו והגנתו. ג'או יינג ועמיתיו חקרו את היתכנות השימוש בלייזר אולטרה סגול לניקוי כתמי עובש על מגילות נייר. תוצאות הניסוי הראו כי שימוש בלייזר עם צפיפות אנרגיה של 3.2 ג'אול/מ"מ² לסריקה אחת יכול להסיר כתמים דקים, וסריקה פעמיים יכולה להסיר לחלוטין את הכתמים. עם זאת, אם אנרגיית הלייזר בה נעשה שימוש גבוהה מדי, היא תגרום נזק למגילת הנייר בעת הסרת הכתמים. ג'אנג שיאוטונג ועמיתיו שיקמו בהצלחה שריד ברונזה מוזהב באמצעות שיטת סרט נוזלי קרינה אנכית בלייזר. ג'אנג ליצ'נג ועמיתיו השתמשו בטכנולוגיית ניקוי לייזר בשיקום פסלון חרס מצויר מתקופת שושלת האן. יואן שיאודונג ועמיתיו. חקרו את השפעת טכנולוגיית ניקוי הלייזר בניקוי שרידי אבן והשוו את הנזק לגוף אבן החול לפני ואחרי הניקוי, כמו גם את השפעות הניקוי של כתמי דיו, זיהום עשן וזיהום צבע.

סיכום: טכנולוגיית ניקוי לייזר היא טכניקה מתקדמת יחסית, עם פוטנציאל מחקר ויישומים רחב בתחומים מדויקים כמו תעופה וחלל, ציוד צבאי, והנדסת אלקטרוניקה וחשמל. כיום, טכנולוגיית ניקוי לייזר יושמה בהצלחה בתחומים מסוימים, הודות ליעילותה, ידידותיות לסביבה וביצועי הניקוי המצוינים שלה. תחומי היישום שלה מתרחבים בהדרגה. פיתוח טכנולוגיית ניקוי הלייזר לא רק יושם באופן בוגר בתחומים כמו הסרת צבע והסרת חלודה, אלא גם דווח על שימוש בלייזר לניקוי שכבת התחמוצת על חוטי מתכת בשנים האחרונות. הרחבת תחומי היישום הקיימים ופיתוח תחומים חדשים הם הבסיס לפיתוח טכנולוגיית ניקוי הלייזר. המחקר והפיתוח של ציוד ניקוי לייזר חדש ופיתוח של ציוד ניקוי לייזר חדש יראו בידול, וכתוצאה מכך פונקציות מגוונות. בעתיד, ניתן להשיג ניקוי לייזר אוטומטי לחלוטין באמצעות שיתוף פעולה עם רובוטים תעשייתיים. מגמת הפיתוח של טכנולוגיית ניקוי הלייזר היא כדלקמן:

(1) חיזוק המחקר על תיאוריית ניקוי לייזר כדי להנחות את יישום טכנולוגיית ניקוי הלייזר. לאחר סקירת מספר רב של מסמכים, נמצא כי אין מערכת תיאורטית בוגרת התומכת בטכנולוגיית ניקוי לייזר, ורוב המחקרים מבוססים על ניסויים. ביסוס מערכת תיאורטית לניקוי לייזר הוא הבסיס לפיתוח ובגרות נוספת של טכנולוגיית ניקוי לייזר.

(2) הרחבת תחומי יישום קיימים ותחומי יישום חדשים. טכנולוגיית ניקוי לייזר יושמה בהצלחה בתחומים כמו הסרת צבע והסרת חלודה, ובשנים האחרונות דווח על שימוש בלייזר לניקוי שכבת התחמוצת על חוטי מתכת. הרחבת תחומי יישום קיימים ופיתוח תחומים חדשים הם קרקע פורייה לפיתוח טכנולוגיית ניקוי לייזר.

(3) מחקר ופיתוח של ציוד ניקוי לייזר חדש. פיתוח ציוד ניקוי לייזר חדש יראה בידול. סוג אחד הוא ציוד בעל אוניברסליות מסוימת המכסה תחומי יישום מרובים, כגון מכשיר אחד שיכול להשיג בו זמנית פונקציות של הסרת צבע והסרת חלודה. הסוג השני הוא ציוד מיוחד לצרכים ספציפיים, כגון תכנון גופי תאורה ספציפיים או סיבים אופטיים להשגת הפונקציה של ניקוי מזהמים בחללים קטנים. באמצעות שיתוף פעולה עם רובוטים תעשייתיים, ניקוי לייזר אוטומטי לחלוטין הוא גם כיוון יישום פופולרי.