Лазерная очистка.

В настоящее время существует довольно много методов лазерной очистки, но любой из них можно отнести к одной из двух групп – очистка в результате термического расширения частиц\подложки или очистка в результате испарения материала (абляция).

Методы очистки первой группы можно также разделить по среде, в которой выполняется очистка: в сухой среде, влажной среде или в жидкости.

Для удаления частиц с твердых поверхностей, необходимо, чтобы сила воздействия лазерного излучения превосходила силы адгезии между мелкими частицами и поверхностью. Из числа сил адгезии основными являются силы Ван дер Ваальса, капиллярные силы и электростатические силы. Размер этих сил и их относительная важность при лазерной очистки зависят от размера частиц, физических и химических свойств материала подложки и частиц, окружающей среды и др.

Во всех случаях сухой очистки переосаждение частиц на очищенную поверхность может быть значительно уменьшено с помощью применения вакуумных условий или потока защитного газа или при помощи соответствующей геометрии установки с вектором нормали к поверхности со-направленным или перпендикулярным с вектором притяжения.

Если энергия импульсов достаточно велика, происходит испарение загрязняющих частиц (загрязняющего слоя). В этом случае очистка происходит интенсивнее, но более значительным оказывается тепловое воздействие на основной материал. График зависимости толщины удаленного слоя покрытой коррозионным слоем стальной пластины h_уд и площади пятна S от плотности мощности лазерного излучения при постоянных энергетических параметрах лазерного излучения, иллюстрирующий смену термомеханического и испарительного режимов лазерной очистки поверхности, приведен на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости глубины аблированного слоя и площади обработки от интенсивности лазерного излучения

Лазерная очистка в жидкостях.

Во многих системах, удаление очень маленьких частиц с твердой поверхности может быть значительно улучшено при помощи тонкой пленки жидкости, нанесенной на загрязненную поверхность перед облучением импульсным лазером. Высокая эффективность очистки достигается при сильном поглощении лазерного излучения подложкой и наличии жидкой пленки прозрачной к воздействующему лазерному излучению. В большинстве случаев жидкая пленка состоит из воды, смешанной с 10-20% спирта. Наличие спирта улучшает смачивание подложки.

В противоположности с сухой лазерной очисткой, при влажной лазерно очистке пороговые значения плотности мощности практически одинаковые и не зависят от типов и размеров частиц. Плотность мощность зависит от длины волны лазерного излучения, материала подложки и типа жидкой пленки. Однако, в любом случае, пороговые значения плотности мощности очистки в жидкостях, намного меньше, чем для удаления мелких частиц при помощи сухой очистке. Это особенно важно когда требуется неповреждение подложки или в ситуациях, когда частицы расплавляются и взаимодействуют с материалом подложки.

Лазерная очистка в результате абляции.

В современной научной литературе основными зависимостями, характеризующими процесс лазерной абляции, являются диаграммы глубины абляции при изменении плотности энергии импульса и количества импульсов. Это наиболее распространенный метод описания, так как подобные данные легко получить экспериментально. Поэтому далее будет рассмотрено влияние параметров режима именно на толщину удаленного материала.

Описание оборудования, на котором проводилась экспериментальная часть.

Лазер – это устройство, которое вырабатывает лазерное излучение. Лазерное излучение имеет большую мощность, чем обычный свет, потому что все его лучи имеют одинаковую длину волны и движутся со-направлено. Благодаря этому лазерные лучи можно сфокусировать в малое пятно, плотность энергии в котором будет сопоставима с плотностью энергии солнца.

Виды лазеров

• Лазеры газовые (лазер СО2)

• Полупроводниковые лазеры

• Жидкостные лазеры

• Твердотельные лазеры

Свойства лазерного излучения

В отличие от обычных, тепловых источников излучения лазер дает свет, обладающий целым рядом особых и очень ценных свойств.

1. Лазерное излучение когерентно и практически монохроматично. До появления лазеров этим свойством обладали только радиоволны, излучаемые хорошо стабилизированным передатчиком. А это дало возможность освоить диапазон видимого света для осуществления передачи информации и связи, тем самым существенно увеличив количество передаваемой информации в единицу времени.

2. Из-за того, что вынужденное излучение распространяется строго вдоль оси резонатора, лазерный луч расширяется слабо: его расходимость составляет несколько угловых секунд. Все перечисленные качества позволяют фокусировать лазерный луч в пятно чрезвычайно малого размера, получая в точке фокуса огромную плотность энергии.

3. Возможность генерации ультракоротких импульсов, плотность мощности которых достигает 10²⁰ и выше Вт/см²

Волоконная лазерная установка Mars J

Установка предназначена для маркирования импульсным лазереным излучением с длиной волны 1060-1070 нм различного рода заготовок, инструментов и деталей из металлов и сплавов, полупроводниковых материалов, пластмасс и дерева путём нанесения символов, буквенно-цифровой или графической информации на их поверхность.

В качестве источника лазерного излучения в установке используется иттербиевый волоконный лазер с модуляцией добротности YLP-1/100/20.

Основные технические данные и характеристики

Длительность импульса излучения, нс ............................. 200

Частота повторения импульсов, кГц ................................... 20 – 50

Максимальные размеры поля маркировки, мм² ............. 160×160

Максимальная мощность, потребляемая лазером, Вт, не более ............................................................... 220

Средняя мощность лазерного излучения, Вт ........................... 20

Диаметр пятна, мкм …………………………………………… 70