用激光清洗金膜表面硅油污染物

用激光清洗金膜表面硅油污染物 用激光清洗金膜表面硅油污染物 第22卷第5期 2010年5月 强激光与粒子束 HIGHPOWERIASERANDPARTICLEBEAMS VoI_22.NO.5 May.2010 文章编号:1001—4322(2010)05096805 用激光清洗金膜表面硅油污染物 叶亚云,袁晓东,向霞,苗心向,吕海兵,王海军,李熙斌,王成程,郑万国 (中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 在激光器摘要:采用CO激光对镀金K9玻璃表面的二甲基硅油污染物进行清洗,单点作用模式下, 分别研究了激光功率和作用时问对清洗效果的影响;并研究了连续扫描工作模式下的激光清洗效果.采用光 学显微镜和傅里叶变换红外光谱仪表征激光清洗效果,研究结果表明:通过良好的控制激光参数,采用COz激 光清洗二甲基硅油具有明显的效果;此种非接触式清洗方式可确保K9玻璃表面的金膜完好无损.采用有限 元 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 软件模拟计算了激光功率和作用时间对清洗过程中温度的影响,计算结果与实验结果规律一致. 关键词:激光清洗;清洗效果;镀金K9玻璃;二甲基硅油 中图分类号:TN249文献标志码:Adoi:l0.3788/HPLPB20102205.0968 在光学系统中,光学元件表面的污染问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 严重影响了系统的正常运行.传统的清洗方法一般指湿式化 学清洗法和超声波清洗法,这些方法存在污染环境,对人体健康有害,清洗效率低等问题.而激光清洗技术能 避免这些问题,具有较多优点[2,因此,在光学元件的洁净工艺中提出激光清洗方法.激光清洗技术研究开始 于20世纪8O年代中期,是为了满足工业生产上清除存储器模板上的微小颗粒的需要].最初的探索是以激 光直接照射待清洗物品,称作干式激光清洗法.很快在20世纪8O年代末,就报道了蒸气(湿式)激光清洗,研 究人员发现,在固体表面覆盖一层液体"辅助层"更有利于污染颗粒的清除[4].经过二十几年的研究,激光清洗 技术已经由实验室研究走向应用开发,在古代文物,橡胶模具,电子线路等已实现工业化_5.],在绝缘材料,磁 头,半导体元件,银质文物,si片,牙齿等方面的应用还处于实验室阶段_8.,有关污垢和锈斑的去除机理还在 不断探索与完善中.研究和应用方面,美国和欧洲国家在激光清洗领域一直走在前列,我国激光清洗技术的研 究和开发一直到近几年才起步,还处于完全的实验室阶段.二甲基硅油是镀金光栅 由 表面常见的一种污染物, 于镀金光栅表面的金膜是一种软膜,目前尚无好的清洗方法来解决其污染问题,本文探索用CO激光清洗镀 金的光学元件,通过理论分析,采用有限元分析软件模拟计算激光清洗过程中的温度变化,并开展了相应的实 验研究,实验中用镀金K9玻璃代替镀金光栅,研究C0.激光器的功率和作用时间对清洗效果的影响. l理论分析 用COz激光清洗镀金光栅表而的二甲基硅油污染物,其机理是利用CO激光的热效应使二甲基硅油蒸 发,汽化,从而脱离元件表面,在CO.激光的辐照下,镀金光栅表面的金膜对CO激光反射率极高,基本不吸收 此波长激光,而二甲基硅油在573K时开始蒸发,汽化,从而达到在不损伤基底的条件下清洗掉二甲基硅油的 目的.因此,从原理来看,CO激光清洗金膜表面的二甲基硅油不属于广泛划分的干式激光清洗法和蒸气激 光清洗法,而是一种介于两者之问的清洗方法. 假设只有二甲基硅油吸收激光,并且不考虑二甲基硅油的相变问题,二甲基硅油油膜在CO.激光照射下 的温度分布T可通过热传导方程来描述,在笛卡儿坐标系中,热传导方程为 pc一是(++)+w(f)(1) 式中:P,c,忌分别是二甲基硅油的密度,比热容,热传导率;W(x,y,;f)是油内的热源函数. 利用有限元分析软件计算二甲基硅油油膜表面经过强激光辐照后的温度分布.实验中设置CO.激光器 的频率是100Hz,油膜层吸收的激光能量可以表示为 *收稿日期:2009—0531f修订日期:200912l7 基金项目:国家高技术发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 作者简介:叶亚云(1986--),女,硕士研究生,从事光学元件激光清洗技术的研究;yeyayun8617@163.corll. 通信作者:袁晓东(1966,),男,研究员,从事固体激光工程方面的研究;yxd66my@163.COFII. 第5期叶亚云等:用激光清洗金膜表面硅油污染物969 Q(,,;,)一EP(1一R)a/nr]exp[一(z+)/r.]exp(一)(2) 式中:P是激光功率密度;r是激光光斑半径;R是表面反射率;a是油膜的吸收系数.二甲基硅油的比热容和 热传导率均取常温下的数值,不考虑温度的影响,假设油膜初始温度和周围换热气体的温度为293K,对流换 热吸收h一10w/(m?K),二甲基硅油的物理性质参数设定为:密度0.96g/cm.,比热容1.63J/(g?K),热 导率0.0016w/(cm?K),吸收系数2560m.将Q(z,,z;)作为体积热加载,对流换热加载在入射面和 出射面上.建立有限元模型,进行两组计算:一组计算一系列激光功率下作用10S后 中心点的温度情况,变化 曲线如图1所示;另一组计算激光器占空比为16(功率2ow),连续照射15S过程中中心点的温度情况,温 度随时间的变化曲线如图2所示.可以看出,辐照中心点的温度随激光功率和辐照时间的增加而上升,原理 上,从第一组模拟结果看,功率为9W左右时硅油温度达到理论汽化温度,此时硅油蒸发,开始有清洗效果,从 第二组模拟结果上看,占空比为16,0.5S左右的辐照就开始有清洗效果. , / / / / / / /. ,一一一 P Fig.1Correlationbetweenoilfilmsurface temperatureandlaserpower 图l油膜表面温度随激光功率的变化曲线 t/s Fig.2Correlationbetweenoilfilmsurface temperatureandradiationtime 图2油膜表面温度随时间变化曲线 2实验过程 样品的制备是利用磁控溅射方法在清洗后的K9玻璃基片上镀厚度为2m的金膜.污染物制备是取少 量二甲基硅油放人烧杯,将基片平放在瓶口,对烧杯进行加热,在623K下熏蒸20min. 清洗实验光路设计如图3所示,CO激光器波长为10.6p.m,平移台平面上激光光斑直径为0.7mm.实 验前,平移台上不放置样品,设置CO激光器频率为100Hz,测量不同占空比下的激光功率值,以达到给激光 器定标的目的,占空比和激光功率对照结果如表1所示.在此光路下,以一定角度倾斜放置镀金K9玻璃样 品,在反射光位置放置功率计,对样品不同位置进行多次测量,得到镀金K9玻璃的反射率平均值为93. Fig.3ExperimentalsetupofC02lasercleaning 图3COz激光清洗实验原理图 表1CO激光器在100Hz下,不同占空比对应的功率值 Table1CO2Laserpoweratdifferentdutyratios underlaserfrequencyof100Hz dutyratio/power/W 首先,用CO.激光器的单点作用方式,对污染后的样品进行两组实验:一组是在固定频率100Hz和固定 辐照时间为10S下,以表1中的不同的占空比辐照一系列区域;另一组是固定频率100Hz,固定占空比16, 以不同的时间(O.5,8.0s)辐照一系列区域.然后,用CO.激光器连续扫描方式,频率100Hz,占空比为1, 扫描速度0.5mm/s在基片上辐照一片区域. 用两种方法来判断清洗效果:用Nikon光学显微镜观察镀金K9玻璃表面的洁净状况;用傅里叶变换红外 光谱仪测量镀金K9玻璃的红外光谱曲线.为准确判断激光清洗效果,对污染前后和激光清洗前后的镀金K9 基片进行定点的显微镜采图和红外光谱测量. 970强激光与粒子束第22卷 3结果与讨论 3.1清洗形貌分析 研究发现,当辐照时间为10S,占空比为6(功率10.80w)时开始达到较好的清洗效果,激光辐照区的 中部基本无硅油液滴残留,露出金膜基底.图4是激光器占空比为6%下辐照前后的清洗效果对比图,其中, (a)是基底的原始形貌,(b)是熏蒸硅油后的原位形貌,(c)是激光辐照10S后的形貌. (a)surfacemorphologyofK9(b)in.situsurfacemorphologyofK9(cJin—sltusurthcemorphologyofK9 glaSSbeforecontaminationglassaftercontaminationglassafterlasercleaning Fig.4Picturesofcleaningeffectallaserdutyratioof6 图4激光器占空比6时的清洗效果图 图5是不同占空比下的清洗效果图,从图5(a)2和图5(b)3的形貌图来看,在激光辐照区硅油由于低 功率激光作用向四周喷溅,中心仍有较多硅油液滴,并未产生明显的蒸发现象;图5(C)占空比为4时开始观 察到硅油蒸发现象,但在辐照区中部仍有硅油液滴残留,清洗不够彻底;图5(d)占空比为6时开始有较好的 清洗效果,在激光辐照区域无硅油污染物残留,占空比为7和9时,清洗效果更加明显.研究表明,在不损 伤基底和金膜的前提下,以相同的时间辐照时,激光器功率越高清洗效果越明显,此外,由于热扩散作用,激光 功率越高清洗区域越大. 【d)dutyratio6%(e)dutyral1O7%(t)dutyratio9% Fig.5Picturesofcleaningeffectatdifferentdutyratiosandradiationtimeof10S 图5激光器不同的占空比辐照10s的清洗效果图 图6是在固定占空比16情况下,不同辐照时间的清洗效果图,辐照时间为0.5s时有激光清洗效果,在 辐照区有硅油蒸发现象,但辐照区中部仍有硅油液滴残留,辐照时间为1.0S时开始有较好的清洗效果,辐照 区域无硅油液滴残留.从图中可见,在不损伤基底和金膜的前提下,辐照时间越长 清洗区域的面积越大. 第5期叶亚云等:用激光清洗金膜表面硅油污染物 (d)radiationtime40s(e)radiationtime6.0s(Dradimiontime80s Fig.6Picturesofcleaningeffectatdifferentradiationtimeandlaserdutyratioof16 图6激光器占空比16时辐照不同时间的清洗效果图 3.2红外光谱曲线分析 激光清洗前后样品的傅里叶变换红外吸收光谱如 图7所示,从镀金K9玻璃的红外光谱曲线可以看出 金膜在波数500cm到4000cm_1之间吸收率接近 0,几乎全部被反射.二甲基硅油污染后的样品的红外 光谱曲线上有3个明显的吸收峰,其中,位于801.96 cm处的吸收峰是由S—O—CH.键对称伸缩振荡产 生,在1087.26cm处的吸收峰是由Si—o—CH.键 的非对称伸缩振荡产生,1259.76cm处吸收峰是由 一 用占空比1的CO激光进 CH.键的振荡产生. 行扫描清洗后,样品的红外光谱图上仍然可以看到这 3个吸收峰,虽然硅油污染物没有完全清洗掉,但强度 明显下降,说明此种清洗方式具有清洗效果. 8 暑 电 宝 景 wavenumber/cm Fig.7FTIRspectra 图7傅里叶变换红外光谱曲线 从实验结果可以看到,当作用时间10S,占空比为4(8.05w)时有二甲基硅油蒸发现 象,但在辐照区域 有硅油污染物残留,在占空比6(10.80w)时在辐照区域无硅油污染物残留,这说明功率8.05w时开始有 硅油蒸发现象,在功率为1O.8Ow时有较好清洗效果;理论计算结果表明,功率为9W左右时硅油开始蒸发, 出现清洗效果,实验结果与理论计算基本一致.此外,从实验上,占空比为16,辐照时间0.5s时开始有清洗 效果,辐照时间1.0S时清洗效果较好;从理论计算上看,辐照时问0.5S时开始有清洗效果,实验值与理论计 算值吻合.两组实验规律与理论模拟计算规律一致,数值上略有差异,差异主要来自以下原因:(1)模拟计算过 程中的热导率和比热值均取常温下的数值,没有考虑到温度的影响;(2)模拟计算时没有考虑硅油的相变问题, 使计算结果有一定的偏差.总体而言,实验结果与理论计算值吻合较好.虽然实验过程中样品表面温度无法 测量,但从理论计算来看,分别固定占空比和辐照时间时,均在1000K左右开始有较好的清洗效果,因此,可 以认为,此模拟温度是Co激光清洗金膜表面二甲基硅油污染物的清洗温度阈值. 4结论 CO激光对镀金光栅表面的二甲基硅油污染物有良好的清洗效果,且在不损伤金膜和基底的激光功率和 辐照时间下,激光功率越高,辐照时间越长,清洗效果越明显,清洗的作用区域也越大.实验结果与模拟计算结 果吻合较好,且发现模拟温度1000K是CO激光清洗金膜表面二甲基硅油污染物的清洗温度阈值. 参考文献: [1]李绪平,祖小涛,袁晓东,等.CO2激光和等离子体清洗提高石英基片损伤闽值[J].强激光与粒子束,2007,19(10):l739l743.(LiXuping, ZuXiaotao,YuanXiaodong,eta1.EffectsofC02laserandvacuumplasmacleaningonsilica —oil—and—greasepollutedquartzsubstrates.High PovdyerLaserandParticleBcaius,2007,19(10):17391743) [2]宋峰,刘淑静,牛孔贞,等.激光清洗原理与应用研究[J].清洗世 界,2005,21(1):1-6.(SongFeng,LiuShujing,NiuKongzhen,eta1.Princi— pieandapplicationresearchonlasercleaning.CleaningWorld,2005,21(1):1-6) [3]宋峰,伍雁雄,刘淑静.激光清洗的发展历程[J].清洗世界,2005,21(6):37— 40.(SongFeng,wuYanxiong,LiuShujing,eta1.Historyofla— sercleaningdevelopment.CleaningWorld,2005,21(6):3740) [4]TamAC,ZapkaW,ZiemlichW.Efficientlasercleaningofsmallparticulatesusingpulsedlaserirradiationsynchronizedwithliquidfilmdep— 972强激光与粒子束第22卷 [5] [6] [7] [8] [9] [10] osition[C]//ProcofSPIE.1991,1598:13-18. 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CO2laser-cleaningofdimethylsiliconecontaminationongildedfilmsurface YeYayun.YuanXiaodong,XiangXia,MiaoXinxiang,LnHaibing, WangHaijun,LiXibin,WangChengcheng,ZhengWanguo (ResearchCenterofLaserFusion,CAEP,P.0.Box919988,Mianyang621900,China) Abstract:CO2laserwasutilizedtocleanthedimethylsiliconecontaminationonthesurfaceofgildedK9glass.Inthecaseof pointtOpointlasercleaning.theeffectsoflaserpowerandradiationtimewerestudied,respectively.Thenthelasercleaning effectwaSstudiedinthescanningmode.OpticalmicroscopeandFouriertransforminfraredspectrometerwereusedtocharacterize thecleaningeffects.TheresultsshowedthatCO2lasercouldeffectivelyremovethedimethylsiliconebyproperlycontrollingthela serDarameters.Inaddition,thisnon— contactcleaningmethodcancleanthegoldfilmsontheK9glasswithoutdamage.Finiteele— mentanalysiscodewasusedtosimulatetheeffectsoflaserpowerandradiationtimeonthetemperatureofsamples.Thesimula— tionresultswereconsistentwiththeexperimentalones. Keywords:lasercleaning;cleaningeffect;gildedK9glass;dimethylsilicone