各类激光器的发展,助力激光清洗开启绿色革命

光电汇OESHOW2022-05-11 13:54:51

作者:张鑫, 陈玉华,南昌航空大学


不同应用领域所要清洗的污染物不同,对功率的要求以及激光波长的吸收率也不同,导致实际的激光清洗工作中存在一定的选择困难。


性能决定了应用范围


在激光清洗中,固体激光器、气体激光器以及半导体激光器的应用最为广泛。这些激光器在波长、功率等重要参数上均存在差异,分别适用于不同的清洗领域。


一般来说,短波激光清洗效果优于长波,这是因为物质对短波的吸收率远高于长波。波长的选择与被清洗物质的颜色及种类有关。


例如,准分子激光波长短,常被用来清洗精度高的电子设备和珍贵文物;


波长为1064 nm 的Nd:YAG 激光更适用于清洗岩石,且单个脉冲清洗的材料更多,即清洗效率更高;


气体激光器使用分子气体做工作介质,产生平均波长为10.6 μm的红外激光,常见金属对其的反射率超过90%,使其广泛应用于金属表面清洗。


技术进步来源于需求


激光清洗的应用实例最早始于文物保护领域。期间,Nd:YAG 激光的应用得到了广泛深入的研究。但由于清洗对象的不断拓展以及对精度要求的不断提高,Nd:YAG 激光的应用受到限制。


激光清洗前后效果

来源:光电产品与资讯


20世纪90年代,国外科学家发现准分子激光单脉冲清洗效率超过90%,正当满腔热情大力研究该技术时,却发现,准分子激光器的工作原理使其容易产生对人体有害的物质,故其应用受到一定限制。


随着制造技术的不断提高,气体激光器特别是CO2激光器,凭借其在工作寿命以及功率上的优点,开始进入人们的视野,使其广泛应用于金属表面的清洗,并进一步扩展到了牛仔面料清洗的新领域。


但是不久科学家就发现,牛仔面料颜色的去除不仅受到激光功率的影响,还受到分辨率和像素时间组合的影响。由于气体激光器无法使用光纤对光束进行传送,只能使用复杂的光学传送系统,故灵活性较差,使其应用也有一定限制。


随着对激光清洗研究的不断深入以及科技发展水平的不断提高,人们将目光重新集中到便携性好的固体激光,尤其是Nd:YAG激光上。人们发现,若采用合适的参数,Nd:YAG 激光不仅适用于岩石表面的清洗,同样适用于金属表面的清洗。


国内激光清洗研究进展


国外发达国家对激光清洗技术的研究较早,使得有些领域的清洗已经实现工业化。而我国激光清洗技术的研究起步较晚,基本是跟随国外的发展。随着广大科研人员的不断努力,也取得一些成就。


中国工程物理研究院激光聚变研究中心的科研人员采用CO2 激光器和Nd:YAG激光器实现了激光清洗镀金K9玻璃、K9玻璃表面的颗粒和油污污染物。近来,又使用波长为1064 nm的Q开关Nd:YAG激光器实现了对云冈石窟砂石表面污染物的清洗。


山东大学的科研人员研制出了18 W全固态1064 nm/532 nm双波长激光清洗设备。该设备稳定性高,但输出功率太小,只能满足部分工业清洗的要求。


随着对激光清洗研究的不断深入,有学者对激光清洗过程的实时监测和表征、数值模拟等进行了初步研究,例如中国环流2号A装置外境表面超薄沉积层的激光清洗的实时监测,这对研制聚变装置激光清洗的自动控制系统提供了理论指导。

激光清洗技术在我国经过几十年的高速发展后,现在已形成工艺研究、实时监测表征、过程模拟、设备自主研发等较为全面的研究体系。但由于制造技术不足,使得激光清洗中大功率激光器的应用受到限制,无法完全满足工业应用。


固体激光器应用前景广阔


经过国内外学者的不断研究及探索, 各类型的激光所清洗的对象越来越广,并均取得了不错的成果。特别是科技水平的提高及制造水平的发展,使得大功率的激光器朝着小型化方向发展成为可能,手持式、移动式激光清洗设备使激光清洗技术适用的领域更加广泛。


来源:网络


固体激光器产生的光束能使用光纤进行传送的特点,使其更易实现远程控制及使用柔性系统。这些优点使得广大科研人员对其清洗对象进行了深入且拓展性的研究,发现固体激光器能广泛应用于石器、金属制品、壁画、城市涂鸦等的清洗。


随着更多工作介质的发现以及激光控制技术的发展,固体激光在激光清洗领域具有广阔的前景。在实际应用中,应综合考虑清洗对象、操作性、成本等,根据国内外研究成果而选择合适的光源类型。


激光清洗是一场绿色革命


全球激光行业的发展步伐越来越快,促进了激光清洗的快速发展。虽然现在激光清洗技术无法取代传统清洗技术,甚至还没走向成熟阶段。


但是很多研究激光清洗的机构,研究出了激光工艺的条件以及复杂的上升气流和机械因素的相互作用,尽管这些相互作用还没有完全运用于实际。但随着理论模型控制策略中工艺知识的进步,以及激光清洗技术的持续发展,激光工艺将克服传统操作的种种弊端,在工业发展中提供越来越有效的潜在价值。


可以预见的是,激光清洗以其超强的适应性,其应用将不断被扩展至新的领域,为清洗业带来一场绿色革命。


参考来源:张鑫, 陈玉华.各类型激光器在激光清洗技术应用中发展现状及展望[J].热加工工艺.2016,45(8):37-40


来源:激光内参公众号 

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