窄脉宽激光自动除污机制造技术

一种窄脉宽激光自动除污机，包括激光器装置（３１）、光束整形传输装置（３２）、辅助移动装置（３３）、超声实时接收装置（３４）、反馈控制装置（３５）、污物回收装置（３６）。它通过利用窄脉宽激光照射被清洗物表面，使其在很短的时间内产生强烈的振动冲击波从而将污物从介质表面去除，同时利用仪器装置监测和分析清洗过程中振动所形成的超声波，来保证介质表面完好以及实现清洗过程自动化。它可以用来清除金属、半导体、建筑物等介质表面的氧化物、锈蚀物、油漆、油渍、残留物等各种污物，具有效果好、无损伤、效率高、自动化等优点。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术是属于激光技术应用领域，涉及一种利用窄脉宽激光与物质相互作用的效应来清除金属、半导体、建筑物等介质表面的氧化物、锈蚀物、油漆、油渍、残留物等各种污物，同时利用该效应所形成的超声信号来保证被除污后介质表面的完好，并可以实现自动化除污的装置。
技术介绍
任何工件或物质在长期使用过程中其表面都会形成某种污染物，或者是被附着上某种物质，它们的存在会给该物质的正常使用带来危害，需要加以清除。目前清除污物的手段包括手工/机械摩擦法、化学试剂法等，这些常规清洗方法具有费时费力、损伤工件、成本高昂等缺点，相比之下激光除污法作为一种新型除污手段能够基本上克服上述缺点。一般地讲，激光除污的过程比较复杂，目前已知的主要机制可以分为烧蚀效应和振动效应两种。常规的激光除污装置的除污机制主要是烧蚀效应，即利用激光能量高度集中的特点，通过集中照射被污染介质的表面，使污染物吸收激光能量达到高温，从而使污染物燃烧分解或气化来将污物清除的方法。原理如图1所示。污物附着在工件表面(图1.a)，选择合适波长的激光进行照射，使污物吸收大部分激光能量，污物吸收激光能量之后温度会上升，当温度达到污物的沸点时便会产生气化现象(图1.b)，最终使其从样品表面脱离(图1.c)。在这种情况，我们可以假设污物两端满足绝热条件，设入射激光平均功率密度为I0，则有热传导方程：ρc∂T(z,t)∂t=λ∂2T(z,t)∂z2+αI0Ae-Az(0≤t<τ,0≤z≤l)---(1)]]>其中，ρ是物体的密度，c是物体的比热容，λ是物体的热导率，α是物体对激光的吸收率，A是物体对激光的吸收系数，τ是脉冲激光作用时间即激光脉宽，1是物体的厚度，at是物体的热扩散率。设初始温度T＝300K，则相应的可以得到污物升高的温度ΔT的解为：ΔT(z,t)=T(z,t)-T(z,0)]]>    =Σn=1∞Cnat(lnπ)2cos(nπlz)[1-e-at(nπl)2t]+C0t(K)(n=1,2,3...)---(2)]]>其中系数C0=αI0ρcl(1-e-Al)Cn=2αI0ρcl11+(nπlA)2(1-e-Alcosnπ)]]>-->这样当ΔT超过一定的临界值时就可以使污物发生燃烧分解或气化，从而将污物去除。从公式中可知，要将污物清除必须要使样品处于高温状态，即使用高能量激光，同时为了保证基底介质不被损坏就需要精确控制激光辐射时间，避免高能量激光或高温污物对介质本身的热损坏。这样不仅增加了清洗成本，同时也限制了其使用范围和对象。目前激光除污装置普遍采用的激光器装置主要是连续CO2激光器或准连续Nd：YAG激光器，也就是采用前面所述的激光烧蚀效应来清除污物，这种类型的激光除污装置除污效果虽尚可，但是由于采用了烧蚀效应，普遍具有激光能量不好控制并且缺乏有效的监测手段，这样也不仅不能提高清洗效率，也很容易使介质本身受高温影响而变性或受损。因此，非常有必要在已有的激光除污原理和技术上寻求突破，专利技术设计一种能够利用激光与物质作用的其他效应，在高效清除污物的同时能够实现有效的实时监控，保证介质表面不被损坏，同时最大限度的提高清洗效率，从而实现自动化除污的激光除污机。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种不使用高能量激光，而是采用窄脉宽激光的激光除污装置。本技术中涉及的窄脉宽激光自动除污机，与常规的激光除污装置有着根本的区别，它并不强调激光的高能量，而是激光的窄脉宽，也就是充分利用激光除污中的振动效应，即通过对被清洗介质表面在极短时间内进行激光辐射，使其在温度升高不是很大的情况下产生强烈的热弹性冲击波，从而克服污物与基底介质的附着力，使污物从介质表面振荡去除。窄脉宽激光除污的原理如图2所示。与烧蚀效应正相反，在这种情况中，基底介质吸收了一部分激光能量(图2.a)，有些情况下甚至可以通过选择激光波长使污物吸收较少的能量而使大部分能量被基底吸收。这样基底的温度就会升高进而产生热膨胀，基底的热膨胀会使整个污物产生热波动(图2.b)，由于整个作用过程时间很短，所以产生的强烈的热弹性冲击波从而使污物脱离(图2.c)，下面以一维情况简单计算说明如下：激光照射在样品表面使基底升高的温度为ΔT，其计算可参考前面的公式(2)，区别是这里计算的是基底的温升因而参数都要换成基底的。由此可以计算出由温度引起的热胀长度Δl＝γΔTl，其中γ为基底的热胀系数，l为基底长度。再根据加速度公式可知基底膨胀对污物所造成的冲击力其中m为污物质量，τ为激光脉冲宽度。当冲击力F大于污物与基底之间的粘附力时污物就会被清除掉。-->由前面计算可知对于温度的升高ΔT∝I0，而I0=Powerτ]]>(Power为激光脉冲能量密度)，再由公式(3)可知F∝Powerτ3]]>即冲击力与脉冲宽度的三次方成反比，由此可见相同激光能量密度的情况下，激光脉冲越短，产生的对污物冲击力越大，而且效果要比单纯地提高激光能量要好很多。实验证明，对于汽车喷漆铁合金基底样品(样品参数参见表1)，采用1064nmNd：YAG激光器，当激光脉冲宽度达到10～20ns，激光脉冲能量为500mJ，光斑大小为1cm2，即激光脉冲能量密度达到0.5J/cm2时，激光脉冲产生的冲击力就可以使漆片脱离样品。这样相对于常规的激光清洗装置，该装置只需要较低的能量就可以实现同样的清洗效果甚至更好，也就降低了清洗成本。同时实验还表明在相同的实验条件下，当激光脉冲宽度为1ns或更短时，所需的激光能量密度会明显小于0.5J/cm2，因此可知如果使用脉冲宽度更窄的激光器，激光除污所需的激光能量会更低，效果更好。表1 实验样品各种参数值得注意的是前面的计算中只考虑介质本身吸收大部分激光适用于大多数情况，主要是考虑介质基底本身的热振动产生的冲击波强度更大。事实上，介质和污物都可以产生冲击波，有的时候两种冲击波同时存在共同作用，同样也可以达到使污物脱离介质表面的目的。特别是对于一些特殊介质，比如玻璃，其本身几乎不吸收激光能量，这个时候就需要使污物吸收大部分激光能量，同样也可以产生冲击波使其脱离，只不过强度相对弱一些。尽管采用窄脉冲激光除污可以有效地提高清洗效果且节约能量，然而如何适时准确地控制清洗过程，既保证清洗过程中污物能够被清除，又使样品本身不受损伤，对于提高除污效率和实现自动化除污至关重要。本技术针对窄脉冲激光除污的原理特点设计了一套超声-->检测分析系统来实现上述要求。其工作原理如下：由于采用窄脉宽激光产生振动冲击波的原理来清除污物，这样当激光照射污染物表面时，强烈的热弹性波在清除污物的同时也会激发空气产生超声波，超声波的强度与样品基底振动的情况有很大的关系，而基底振动的强度又取决于对激光能量的吸收情况。计算表明，基底表面的振幅E与激光的能量密度Power成正比，又由于超声信号强度I与振幅E存在关系I∝E2，由此可知所产生的超声信号强度I∝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可以清除基底物质表面污染物的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于该装置包括激光器装置（１）、光束整形传输装置（２）、辅助移动装置（３）、超声实时接收装置（４）、反馈控制装置（５）、污物回收装置（６），激光器装置采用窄脉宽激光器，与窄脉宽激光器相连的是光束整形传输装置，按照与激光器的连接顺序包括光束耦合装置、光束传导装置和激光输出头等，激光输出头放置在辅助移动装置上面，从光束整形传输装置中导出来的激光直接照射在待清洗物品的表面上；超声实时接收装置和污物回收装置放置在靠近待清洗物品的位置，以便于超声实时检测和污物回收；反馈控制装置通过线路与其它各个部分相连。

【技术特征摘要】
1、一种可以清除基底物质表面污染物的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于该装置包括激光器装置(1)、光束整形传输装置(2)、辅助移动装置(3)、超声实时接收装置(4)、反馈控制装置(5)、污物回收装置(6)，激光器装置采用窄脉宽激光器，与窄脉宽激光器相连的是光束整形传输装置，按照与激光器的连接顺序包括光束耦合装置、光束传导装置和激光输出头等，激光输出头放置在辅助移动装置上面，从光束整形传输装置中导出来的激光直接照射在待清洗物品的表面上；超声实时接收装置和污物回收装置放置在靠近待清洗物品的位置，以便于超声实时检测和污物回收；反馈控制装置通过线路与其它各个部分相连。2、按照权利要求1所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于激光器装置的输出激光为窄脉宽激光，激光脉宽为15ns以下激光脉冲能量为100mJ～10J；激光波长可以是全波段；激光器的开启和关闭、输出能量、工作频率的控制电路与反馈控制装置电路连接以实现自动控制。3、按照权利要求2所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于激光器装置的激光波长的全波段可以是紫外、红外、可见。4、按照权利要求1所述的窄脉宽激光自动除污机，其特征在于光束整形传输装置包括光束耦合装置、光束传导装置、激光输出头，其中光束耦合装置内部主要部件为耦合透镜与整...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋峰，田彬，邹万芳，何真，刘淑静，牛孔贞，田建国，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：实用新型
国别省市：12[中国|天津]