一种激光清洗微纳颗粒污染物的方法和应用与流程

一种激光清洗微纳颗粒污染物的方法和应用与流程

本发明涉及激光清洗的技术领域。

背景技术:

大型高功率激光器的装置中,光学元件受到污染物污染后,会大大降低其负载能力,极易造成光学元件损伤。现有研究指出纳米级的污染物是激光在紫外波段损伤的主要诱因,因此对纳米级颗粒的清除是众多技术共同追求的目标。而传统的清洗不仅容易损坏基底,而且对于纳米量级的微粒,传统的清洗技术更加难以应用,针对该问题,部分现有技术提出了激光清洗的手段。

激光清洗技术是一种非机械接触式表面清洗技术,具有清洗效率高、污染小、适用范围广等优点,在工业领域得到广泛的应用。但是,大量激光清洗的应用致力于研究非透明基底,而基于其光学与热力学性质的难度对透明基底研究较少。如2003年,albertobarone提出的对不透明样品进行后表面干式激光清洗,其可有效清洁纸张表面,而不会损伤纸上墨迹,2012年,jung-kyupark提出了一种新型的激光清洗技术—飞秒激光等离子体冲击波去除硅片表面的纳米颗粒,并且指出在不损伤基底情况下的去除条件,这些技术中,有关激光去除及其对参量选择的严苛要求也是清洗技术无法突破的难点之一。同时,激光清洗机理的不完善性也是限制其发展的原因之一。如2006年francescobloisi等人提出一维模型,描述背向激光清洗技术,用于去除基底上颗粒,但是,其机理只是单一的聚焦于一维模型,未对颗粒的散射场、三维热膨胀模型进行详细的描述。2001年,y.w.zheng等人在研究激光对sio2颗粒清洗的过程中,基于三维热膨胀效应机理得到了相应的清洗阈值,但是未对电磁力讨论。

技术实现要素:

本发明的目的在于克服现有技术的不足,通过建立包括散射光场、温度场、热力场及电磁场在内的三维清洗模型,获得对透明基底微纳米颗粒清洗的最佳方案。

本发明首先提供了如下的技术方案:

一种激光清洗微纳颗粒污染物的方法,其包括:通过激光清洗模型获得清洗方案,再根据清洗方案进行清洗,其中,所述清洗模型包括以下模型构建而成:包括污染物颗粒调制作用在内的基底界面处光场强度分布模型、包括污染物颗粒调制作用引起的温度分布不均匀现象在内的基底界面处温度分布模型、包括由温度变化引起的热应力变化作用在内的基底界面处热应力分布模型,及基底界面处光力分布模型。

根据本发明的一些优选实施方式,所述光场强度分布模型如下:

其中,i0(t)表示激光平滑脉冲,φ表示入射激光通量,t表示时间,tl=0.409tfwhw表示脉冲时间计算系数,其中tfwhm表示脉冲的持续时间,r0表示极坐标系下、由污染物颗粒调制作用引起的光场场强增大区域的径向长度;r表示入射激光脉冲点的径向坐标;rsh表示由污染物颗粒调制作用引起的光场场强减小区域的径向长度;r表示污染物颗粒半径;s0表示场增强因子,其为污染物颗粒调制作用引起的入射激光在污染物颗粒底部(即颗粒与负载该颗粒的基底材料的交界部位)产生的近场聚焦处的光场场强i与入射光场强i0的比值、即s0=i/i0,s1表示由污染物颗粒调制作用引起的光场场强减小区域的面积,且

根据本发明的一些优选实施方式,所述温度分布模型如下:

其中,r表示极坐标系下污染物颗粒的径向坐标,表示基底材料的热扩散系数;t1表示时间单元,f(z,t)表示如下的函数:

其中,erfc表示互补误差函数,c表示光速,e表示自然常数。

根据本发明的一些优选实施方式,所述热应力分布模型通过对所述温度分布模型及热应力模型的联合求解得到。

根据本发明的一些优选实施方式,所述热应力模型设置如下:

其中,fr表示热应力,ρp表示污染物颗粒的材料密度,f(t)表示污染物颗粒的位移函数,d表示微分符号。

根据本发明的一些优选实施方式,所述光力分布模型如下:

=∫s·ds(12)

其中,表示平均总光力,表示时域平均的麦克斯韦应力张量,s表示面积,表示二元乘法,d表示电通量密度,e*表示电场强度的共轭,h表示磁场强度,b*表示磁通量密度共轭,e表示入射的电场,表示光场单位张量,d*表示电通量密度的共轭。

根据本发明的一些优选实施方式,所述激光清洗模型还包括以下的清洗条件模型:

其中,a表示颗粒与基底的接触半径;ρp表示污染物颗粒的材料密度,f(t)表示污染物颗粒的位移函数,d表示微分符号,表示lifshitz常数,h表示分离距离、且p表示加载力,σ1、σ2分别表示颗粒和基底材料的泊松系数,e1、e2分别表示颗粒和基底材料的杨氏模量,r表示污染物颗粒的半径。

根据本发明的一些优选实施方式,通过有限元分析法对所述激光清洗模型进行模拟,获得其数值解。

根据本发明的一些优选实施方式,基于所述激光清洗模型,通过以下阈值计算模型获得清洗阈值:

在正向清洗中:

当f热=f粘+f光时,获得清洗阈值,其中,f热表示所得热应力,f粘表示范德华力、即不等式(8)中右式,f光表示通过所述光力模型获得的光力;

在背向清洗中:

当f热=f粘-f光时,获得清洗阈值。

本发明进一步提供了上述清洗方法在光学元件清洗中的应用,特别是被微纳氧化铝颗粒污染的光学元件清洗中的应用。

本发明可对附着在透明基底微纳米颗粒进行最优去除。

附图说明

图1为具体实施方式所述测试装置。

图2为具体实施方式所述正向清洗(a)及背向清洗(b)示意图。

图3为仿真实验所得氧化铝颗粒在石英玻璃入射面侧光强分布图。

图4为仿真实验所得氧化铝颗粒在石英玻璃透射面侧光强分布图。

图5为仿真实验所得场增强因子s0与粒径的关系图。

图6为仿真实验所得颗粒底部强度分布i/i0示意图。

图7为仿真实验所得轴向电矢量分布示意图。

图8为仿真实验所得正向清洗中颗粒与基底接触面温度的变化曲线图。

图9为仿真实验所得背向清洗中颗粒与基底接触面温度的变化曲线图。

图10为仿真实验所得正向清洗应力分布图。

图11为仿真实验所得背向清洗应力分布图。

图12为仿真实验所得正向清洗光力随着颗粒半径的变化曲线。

图13为仿真实验所得背向清洗光力随着颗粒半径的变化曲线。

图14为仿真实验所得清洗所需加速度与粒径之间的关系。

图15为仿真实验所得前表面激光清洗各应力随能量密度的变化曲线,其中(a)颗粒半径为0.2um、(b)颗粒半径为2um。

图16为仿真实验所得背向激光清洗各应力随能量密度的变化曲线,其中(a)颗粒半径为0.2um、(b)颗粒半径为2um。

图17为仿真实验所得微纳颗粒的最佳去除能量密度控制范围与粒径之间的关系图。

图18为测试实验中颗粒半径为2um的污染物在正向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为0.1-0.25mj/cm2、0.26mj/cm2及0.3mj/cm2。

图19为测试实验中颗粒半径为2um的污染物在背向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为1-17.4mj/cm2、17.5mj/cm2及19mj/cm2。

图20为测试实验中颗粒半径为200nm的污染物在正向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为1-1.1mj/cm2、1.13mj/cm2及1.5mj/cm2。

图21为测试实验中颗粒半径为2um的污染物在背向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为0.1-0.82mj/cm2、0.83mj/cm2及0.9mj/cm2。

图22为测试实验中清洗200nm颗粒的sem对比图,其中(a)正向清洗整体形貌(b)局部放大图(c)背向清洗整体形貌(d)局部放大图。

图23为测试实验中清洗2μm颗粒的sem对比图,其中(a)正向清洗整体形貌(b)局部放大图(c)背向清洗整体形貌(d)局部放大图。

图24为测试实验中激光清洗的界面sem对比图,其中(a)正向清洗基底形貌(b)背向清洗基底形貌(c)正向清洗颗粒形貌(d)背向清洗颗粒形貌。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述,但需要理解的是,所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述,而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

根据本发明的技术方案,一种具体的清洗方法包括:

s1构建清洗模型

更具体的,所述清洗模型可进一步包括:

激光脉冲模型,如下:

其中,i0(t)表示激光平滑脉冲,φ表示入射激光通量,t表示时间,tl=0.409tfwhm表示脉冲时间计算系数,其中tfwhm表示脉冲的持续时间。

发明人意外地发现,污染物颗粒较大时,会对入射激光产生调制作用,在粒径较小时,会对入射激光产生阻隔效应。进一步的,由于污染物颗粒对激光的部分透过效果及一定条件下的调制作用,颗粒周围的光场分布会出现不均匀及局部过热的现象,由此会导致实际的清洗阈值相比于均匀表面加热清洗相差1-2个数量级。

基于以上发现,本发明的清洗模型进一步包括:包括颗粒调制作用在内的基底界面光场强度分布模型、包括颗粒调制作用引起的温度不均匀现象在内的基底界面处温度分布模型、包括由温度变化引起的热应力变化作用在内的基底界面处应力分布模型,及基底界面处电磁力分布模型。

其中,更进一步的,包括颗粒调制作用在内的基底界面光场分布模型可设置如下:

其中,r0表示极坐标系下、由污染物颗粒调制作用引起的光场场强增大区域的径向长度;r表示入射激光脉冲点的径向坐标;rsh表示由污染物颗粒调制作用引起的光场场强减小区域的径向长度;r表示污染物颗粒半径;s0表示场增强因子,其为污染物颗粒调制作用引起的入射激光在污染物颗粒底部(即颗粒与负载该颗粒的基底材料的交界部位)产生的近场聚焦处的光场场强i与入射光场强i0的比值、即s0=i/i0,s1表示由污染物颗粒调制作用引起的光场场强减小区域的面积,且

进一步的,不同粒径的污染物颗粒在基底界面处的具体光场分布情况可根据上述光场分布模型通过有限元分析法获得。

该分布模型中,颗粒底部的场增强部分(r0部分)由激光入射至负载该颗粒的基底材料后得到的入射光分布图中的阴影区域、即由颗粒对光场的调制引起的场强低于入射场强部分(rsh部分)的再度分配产生,并通过三个高斯函数之和获得颗粒底部光场强度分布的近似。

基于该模型,1)当rrsh≈r+λ(其中,r表示颗粒半径,λ表示光的波长)时,场强趋向于均匀的一维强度。

通过式子(1)-(3)的联立可以得到颗粒对光场的调制情况,并且可以具体得到随着径向坐标的变化,电场强度的变化,奠定了进一步的热应力分析的基础。

进一步的,具体实施中,包括颗粒调制作用引起的温度不均匀现象在内的基底界面处温度分布模型可基于如下的热方程建立:

t|z=∞=t|x,y=±∞=t|t=0=0(5)

其中,cs表示负载污染物颗粒的基底材料的比热容;表示基底材料的密度;ks表示基底材料的导热系数;a0表示基底材料的热吸收率;α表示基底材料的热吸收系数;t表示温度,gradt表示其梯度;表示对时间的倒数;i(x,y,t)表示不同变量下光场函数,其中x,y表示横、纵坐标,t表示时间;z表示直角坐标系下的竖向坐标。

则,上述线性热方程的解,即所述温度分布模型可表示为:

6)

其中,r表示极坐标系下污染物颗粒的径向坐标,与直角坐标系下的竖坐标z之间不需要转换;表示基底材料的热扩散系数;t1表示时间单元,f(z,t)表示如下的函数:

其中,erfc表示互补误差函数,c表示光速,e表示自然常数。

进一步的,在正向或背向清洗的不同情况下,不同粒径的污染物颗粒在基底界面处的具体温度分布可根据上述模型通过有限元分析法获得。

进一步的,根据颗粒与基底之间的吸附主要是范德华力引起的,这种力是由于偶极子之间的相互作用产生的,且通过hamaker理论,吸引力可以用(8)不等式右侧表达式来表示,则在污染物颗粒去除条件下的清洗模型如式(8)-(11)所示,其中式(8)左侧表示由激光作用而产生的清洗力,即其热应力:

其中,a表示颗粒与基底的接触半径;ρp表示污染物颗粒的材料密度,f(t)表示污染物颗粒的位移函数,其中d表示微分符号,表示lifshitz常数,h表示分离距离、其h为p表示加载力,σ1、σ2分别表示颗粒和基底材料的泊松系数,e1、e2分别表示颗粒和基底材料的杨氏模量,r表示污染物颗粒的半径。

进一步的,在正向或背向清洗的不同情况下,不同粒径的污染物颗粒产生的具体热应力可根据热应力的计算式及其与温度分布模型的结合通过有限元分析法获得。

进一步的,由于光场强度的分布不均匀,本发明根据物体被sc模式照射时,在封闭表面上积分麦克斯韦应力张量(mst),建立如下的光力模型,通过该模型可获得时间平均下的总光力由于光场强度分布不均匀导致的力:

〈ftotal〉=∫s〈t〉·ds(12)

其中,表示平均总光力,表示时域平均的麦克斯韦应力张量,s表示面积,表示二元乘法,d表示电通量密度,e*表示电场强度的共轭,h表示磁场强度,b*表示磁通量密度共轭,e表示入射的电场,表示光场单位张量,d*表示电通量密度的共轭。

具体的不同粒径下污染物颗粒所受光力的大小可根据以上模型通过有限元分析方法获得。

s3根据模型求解结果,获得具体的清洗方案

其可进一步包括:

通过对所述光场分布模型进行的有限元分析,获得所述场增强因子s0;

基于该场增强因子s0,对所述温度分布模型进行有限元分析,获得温度分布,基于所述温度分布,通过所述温度分布模型及所述热应力模型的耦合分析,获得污染物颗粒的热应力分布;

通过式(8)-(11)所示的清洗模型获得污染物颗粒去除时的热应力及由d2f(t)/dt2表示的热应力产生的颗粒加速度,并获得相同能量下的光力加速度大小;

将所得热应力大小、粘附力加速度及光力加速度输入comsol模型中获得颗粒去除阈值。

所述颗粒去除阈值通过以下计算模型获得:

正向清洗阈值计算模型:

当f热=f粘+f光时,获得污染物颗粒去除阈值,其中,f热表示所得热应力,f粘表示范德华力即不等式(8)中右式,f光表示通过所述光力模型获得的光力;

背向清洗阈值计算模型:

当f热=f粘-f光时,获得污染物颗粒去除阈值。

根据以上具体实施方式,本发明进行了如下的仿真实验:

通过comsol对模型进行有限元分析,具体的参数设置包括:

表1comsol中的参数设置

在有限元分析中,设置高斯函数gp1,位置:0,标准差:standard;解析函数:pg(x,y)=p*gp1(x)*gp1(y),x、y的上下限分别为r1和-r1,其中pg的单位为w/m^2

设置分段函数以区分激光束的停留作用时间,分段函数设置如下

设置边界条件如下表2所示:

表2边界条件

同时,在计算中采用网格划分方法,在进行网格划分时,适当增加激光作用区域的网格精度,减小未被影响的材料区域的网格精度。这样即保证了计算进度,又减小了计算量。

其他一些参数设置如下表3所示:

表3主要参数设置

在上述参数下,根据光场分布模型,仿真实验可得到如附图3所示的氧化铝颗粒在石英玻璃入射面侧光强分布图、附图4所示的氧化铝颗粒在石英玻璃透射面侧光强分布图、附图5所示的场增强因子s0与氧化铝颗粒粒径的关系图、附图6所示的颗粒底部强度分布i/i0示意图及附图7所示的轴向电矢量分布示意图。

可以看出,如附图3所示当颗粒位于透明基底的入射面侧时,颗粒的散射效应引起的聚焦热点位于颗粒与基底的交界面上。对于背向激光清洗的电场分布,如图4所示,聚焦的热点会远离基底表面,不易造成基底的损坏。该模拟结果与后述的测试实验结果一致。

如附图5所示,由于光学共振效应颗粒下方的场强随粒径的变化而振荡,这种光学振荡效应可以理解为光波在颗粒内部经历过反射后入射光波与反射光波在颗粒底部干涉叠加,行波和驻波的形成决定了这种振荡的存在。从图中可以看到s0(“热点”场强与入射场强之比)随着粒径的增加而增加,其与测试实验结果一致。

如附图6所示,为颗粒底部温度分布情况,纵坐标表示场增强倍数,横坐标表示径向坐标。在颗粒最底部(r=0)时场增强10倍左右,随着径向坐标r增大,会有激光无法辐照区域,即阴影区域,再随着r增大,为激光均匀辐照。如附图7所示为激光经过颗粒时电场强度的变化形式。

在上述参数下,根据正向温度分布模型,仿真实验可得到如附图8所示的正向清洗中模型剖面图、及颗粒与基底接触面温度的变化曲线,其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为t=1ns、9ns、12ns、21ns、30ns、40ns时的温度分布云图,从图中可以看到,红色表示温度较高区域,颗粒底部有热点的形成,这是因为氧化铝颗粒对激光的近场调制导致的,与实际测试实验结果一致。

根据背向温度分布模型,可得到如附图9所示的背向清洗中模型剖面图、及颗粒与基底接触面温度的变化曲线,其中(a)、(b)、(c)分别为t=1ns、12ns、40ns的温度分布云图。(a-1)、(b-1)、(c-1)分别为(a)、(b)、(c)的颗粒与基底接触面的局部放大图。对比图8和图9可以明显的看到,激光作用于前表面与激光作用于后表面最大的区别在于,“热点”所处的位置不同。当正向清洗氧化铝颗粒时,“热点”位于污染物颗粒与基底的接触面,然而当背向清洗时,“热点”位于远离基底与颗粒的交界面处。这对激光清洗极其重要,在图9中,从污染颗粒与基底接触面的温度随时间的变化曲线中可以看出,在0-12ns时温度持续升高,这可以归因于氧化铝颗粒对激光的吸收;12-20ns期间,该处的温度没有大幅升高和降低,基本保持恒定,这是因为在12ns时激光停止作用,颗粒不存在对激光的吸收,另外,该处向外耗散的热量等于颗粒底部“热点”向颗粒与基底接触面传播的热量;20ns-40ns期间,由于颗粒底部“热点”向颗粒与基底接触面传播的热量大于该处消耗的热量,所以温度又持续升高。

在上述参数下,根据正向清洗热应力分布模型,仿真实验可得到如附图10所示的正向清洗应力分布图,其中,(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为t=1ns、9ns、12ns、21ns、30ns、40ns时应力分布云图,可以看出:图(a):杂质吸收激光能量后,杂质温度上升,在激光能量不足以使杂质发生相变或者电离时,杂质自身会发生热膨胀,会对基底有向下的作用力,相对来说基底也会对颗粒有向上的反作用力,致使颗粒有向上的加速度。对于基底来说,由于基底所受到的应力与颗粒受到的应力差几个数量级,所以图10未显示出基底受到的应分布以及大小。图(b):在此时颗粒热应力达到最大值,向上的速度变为零,颗粒由于热膨胀导致的向上的位移最大。图(c):由于温度骤减,所以热膨胀量会减小,颗粒有一个向下的位移。图(d)相较于图(c)来说,温度下降较为缓慢,热应力降低也较慢,所以相对于(c)有一个较小的方向向下的速度。图(e)、(f):由于热应力变化较小,所以颗粒向下的位移趋于平缓。

根据背向清洗热应力分布模型,仿真实验可得到如附图11所示的背向清洗应力分布图,可以看出,与正向清洗相比背向清洗应力较大,与正向清洗相同的是,背向清洗在0-9ns期间由于激光脉冲的作用应力持续上升,在9-40ns期间,随着温度向低温处传导,热应力逐渐降低。由于颗粒的热膨胀,导致颗粒存在一个向下(颗粒去除方向)的位移。具体的,图中0-9ns期间,会在颗粒远离颗粒与基底的交界点处形成“热点”,该热点的形成会导致颗粒顶部的膨胀,由于材料的本身性质会阻止颗粒的膨胀,所以会引起颗粒做远离基底的运动,但是该膨胀也会对基底产生轻微的压力,当t=9ns时即图11(b),此时热应力达到最大值。与正向清洗相比,一方面,正向激光清洗是依靠基底对颗粒的反作用力来去除的,而背向激光清洗依靠于材料本身阻止颗粒膨胀力的作用。

通过二者之间的对比分析可以看出,正向激光清洗会在颗粒底部形成应力集中点,而背向激光清洗的应力集中点位于颗粒顶部;正向激光清洗的去除力来源于颗粒膨胀引起的基底对颗粒的反作用力,其去除路径与激光清洗方向相反。背向激光清洗来源于材料本身热膨胀,去除路径与光束传播方向相同;正向激光清洗与背向激光清洗到达清洗阈值时模型最大热应力分别为3.41mpa、731mpa。可以明显得到在此情况下前表面清洗阈值底于后表面清洗阈值。

在上述参数下,根据电磁力分布模型,可得到如附图12所示的正向清洗光力随着颗粒半径的变化曲线及附图13所示的背向清洗光力随着颗粒半径的变化曲线。从图中可以看到光力的整体变化曲线随着粒径的增大而逐渐增大。同时,由于小球mie散射的影响,物体受到的光力曲线会发生起伏。同时,对比两图可以看到背向激光清洗有更强的光力值。这是由于本身背向激光清洗的场增强效应强于正向激光清洗的场增强效应,即背向s0大于正向s0,将模型简化为二维时,得出其值(纵坐标)为f光/2r,将该值乘以颗粒直径即为所需光力。该力对应于图2中f2方向指向光场增强的方向。同时,光力对于激光的清洗阈值有相应的影响,对于前表面激光清洗来说光力的方向与范德华力的方向相同,所以作为阻力讨论,即f热=f范+f光,对于后表面激光清洗来说,光力方向与范德华力方向相反,作为动力讨论,即f热+f光=f范。

在上述参数下,仿真实验同时得到如附图14所示的清洗所需加速度与粒径之间的关系,图15所示的前表面激光清洗各应力随能量密度的变化曲线,其中(a)颗粒半径为0.2um、(b)颗粒半径为2um,图16所示的背向激光清洗各应力随能量密度的变化曲线,其中(a)颗粒半径为0.2um、(b)颗粒半径为2um,图17所示的最佳去除能量密度控制范围与粒径之间的关系图。从图14可以看出,随着粒径的增大需要的加速度逐渐减小,即颗粒越大越容易清洗。

从图15所示为不同能量密度下的前表面激光清洗所对应的粘附力、热应力、光力和合力(热应力减光力)曲线图、合力和粘附力两条线段的交点对应的横坐标为去除该颗粒的阈值能量密度中可以看出,图(a)中光力强于清洗力,所以在该粒径内颗粒不能得到有效去除。而(b)中光力对清洗阈值的影响微乎其微,其清洗阈值为0.2085mj/cm^2,与后述测试实验现象一致。对比(a)、(b)两图,可以看出在半径为200nm时的光力作用更加明显这是因为去除该颗粒所需要的激光能量较高导致的。

从图16为不同能量密度下的后表面激光清洗所对应的粘附力(范德华力)和清洁动力(光力+热应力)曲线图、两条线段的交点对应的横坐标为去除该颗粒的阈值能量密度中可以看出,(a)粒径为0.2μm其清洗阈值为0.820j/cm^2,(b)粒径为2μm,清洗阈值为17.373mj/cm^2。对比图(a)、(b)可以看出光力对粒径为0.2μm的影响更大。对比图15和图16得到,在较小粒径时,背向激光清洗阈值低于正向激光清洗阈值,在大粒径情况下,正向激光清洗阈值低于背向激光清洗阈值。另外,随着能量密度的增加光力更强。

通过对不同粒径的激光清洗阈值分析得到,前后表面颗粒去除阈值随粒径的变化曲线如图17所示,从图中可以观察到,在粒径≥225nm时,前表面由于颗粒的汇聚作用去除阈值较低;粒径<225nm时,由于“热点”的消减,并且颗粒会对入射激光起到阻隔作用,所以背向去除阈值较低。另外,在此粒径范围内前表面的颗粒清洗阈值骤增,光力也相应的增大。所以该粒径范围内前表面对颗粒不能进行有效的清除。并且,绘制了前后表面损伤阈值曲线,从图中可以看出,后表面损伤阈值高于前表面损伤阈值,这是由于颗粒对激光的调制致使在相同的激光能量下前表面基底的应力强于后表面基底的应力。图中阴影部分(1)为背向激光清洗颗粒去除能量密度控制范围,阴影区域2为正向颗粒去除能量密度控制范围。在此范围内清洗效果佳并且无损伤形成。

本发明进一步通过如附图1所示的测试装置进行清洗效果测试实验,该装置包括:

1:激光发射器;2:分束镜;3:聚焦透镜;4:三维移动平台;5:载玻片;6:氧化铝颗粒;7:探测器;8:能量计;9:计算机。其中分束镜分束后的透射光与反射光能量比为8:2,反射激光与能量计相连用于能量的检测,透射激光经过焦距为200mm的透镜聚焦在涂敷有al2o3颗粒的二氧化硅玻璃样品后侧,其中离焦量为30mm,玻璃样品被三维移动平台夹持,以使激光对样品进行逐点辐照。该图所示为背向辐照,颗粒位于激光辐照的透射面,将颗粒转为激光的入射面即为正向辐照。

激光由镭宝公司生产的固体脉冲激光器(sgr-10型)产生,脉宽为12ns,激光波长为1064nm,激光的模式为tem00,脉冲频率为1hz。

以不同粒径的al2o3颗粒作为污染物负载于载玻片上获得的样品,进行清洗效果模拟,其中,所述样品通过以下过程进行:

将载玻片该处将75mm×25mm×1mm的载玻片切割为大小25mm×50mm的长方形;

将切割后的载玻片放在去离子水中超声清洗30min;

将0.037g的al2o3颗粒放入盛有100ml乙醇的烧杯中,并将烧杯放入超声清洗机中超声振荡30min,以便分散颗粒,其后使用磁力搅拌器,以350r/min的搅拌速率搅拌溶液3h;

用滴管将搅拌好的溶液滴敷在清洗好的载玻片上,其后放置于干燥、通风良好的环境中,直至乙醇溶液完全挥发,得到所述样品。

对制备好的样品进行单点扫描去除实验,每点作用一个脉冲,每个能量作用10个点。其中三维位移平台移动速度为5mm/s,激光能量逐渐增加直至颗粒去除。首先确定达到颗粒去除的基本能量范围,其次激光能量按0.1mj的增量逐渐增加,最后对比实验图片得到清洗阈值。

实验结果如图18-24所示,其中图18为颗粒半径为2um的污染物在正向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为0.1-0.25mj/cm2、0.26mj/cm2及0.3mj/cm2;图19为颗粒半径为2um的污染物在背向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为1-17.4mj/cm2、17.5mj/cm2及19mj/cm2;图20为颗粒半径为200nm的污染物在正向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为1-1.1mj/cm2、1.13mj/cm2及1.5mj/cm2;图21为颗粒半径为2um的污染物在背向清洗中的效果对比图,其自左至右的激光能量密度分别为0.1-0.82mj/cm2、0.83mj/cm2及0.9mj/cm2;图22为清洗200nm颗粒的sem对比图,其中(a)正向清洗整体形貌(b)局部放大图(c)背向清洗整体形貌(d)局部放大图;图23为测试实验中清洗2μm颗粒的sem对比图,其中(a)正向清洗整体形貌(b)局部放大图(c)背向清洗整体形貌(d)局部放大图。

其中,图18-21显示了两种颗粒粒径(2um、0.2um)下,前后表面的清洗阈值,其中最左图像的能量密度下,均未达到清洗效果,中间图像的能量密度下恰好具有去除效果,则其能量密度即为清洗阈值,最右图像的激光能量密度大于清洗阈值,其清洗效果与中间图像相比较好。另外,可以得到对于半径为2um的颗粒污染物来说,前表面清洗阈值远小于后表面激光清洗阈值,又由于颗粒的去除取决于颗粒与基底交界面的温度,所以在相同的能量密度下,前表面在颗粒污染物与基底的交界面有更高的温度,其正是由于al2o3颗粒对激光的调制导致的。对于半径为200nm的污染物来说前表面的清洗阈值大于后表面的清洗阈值,可推断出在相同的能量下,背向激光清洗会导致颗粒与基底交界面处更高的温升,与模型计算结果一致。

在通过sem对实验图片进行的进一步的放大中,图22(a)、(c)分别为达到清洗阈值的正向、背向清洗的整体形貌图,(b)、(d)分别为(a)、(c)的局部放大图(sem),微粒粒径为200nm,可以看出,对于小颗粒(200nm)来说背向激光清洗更加高效,从(b)中可以看到由于激光的作用颗粒融化,并且覆盖在基底上形成污染层。虽然对颗粒有部分去除,但是对基底构成了二次污染,从(d)中可以颗粒去除效果非常明显,虽然有个别颗粒有融化现象,但是未形成大面积的污染层,符合模型结果。

图23(a)、(c)分别为达到清洗阈值的正向、背向清洗的整体形貌图,(b)、(d)分别为(a)、(c)的局部放大图(sem),微粒粒径为2μm,可以观察到两者的清洗效果都非常的有效,符合模型结果。

同时,测试实验中观察到对于大颗粒(2um)而言,背向激光清洗会伴随着坑的形成,并且对于两种清洗方式颗粒均有局部过热现象的出现,在如附图24所示的激光能量密度为1mj/cm^2作用下的前表面激光清洗效果中,图(a)、(b)为激光正向清洗基底和颗粒的样貌图,(c)、(d)为激光背向清洗的基底和颗粒的样貌图,从(a)中可以看到激光正向清洗后基底上有点坑出现,又有(b)图得到正向激光清洗中颗粒与基底的交界面(底部)最先融化,可以进一步说明颗粒的调制致使颗粒底部温度最高,图(c)未出现点坑,另外有些许颗粒去除的痕迹,图(d)中可以明显看到融化区域在远离颗粒与基底的交界处(顶部),说明氧化铝颗粒会对激光产生调制作用,致使颗粒底部的温度高于颗粒顶部的温度,对激光清洗阈值产生影响。

基于以上测试实验结果,可以发现,对于粒径较大的氧化铝颗粒由于其对激光具有调制作用,所以正向激光清洗较背向激光清洗阈值更低。在粒径较小的范围内,由于颗粒会对入射激光起到阻隔作用,所以背向激光清洗阈值更低。另外,在达到清洗阈值的前提下,背向激光清洗效果更显著,而正向激光清洗会导致污染层的存在。与本发明的模型结果一致。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

泊祎回收网遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;

发布者:泊祎回收网,转载请注明出处:https://www.huishou5.net/zaisheng/165980.html

电话

联系我们

1388-0022-916

在线咨询:点击这里给我发消息

邮件:1395700887@qq.com

工作时间:周一至周日,9:30-18:30,节假日无休

微信
微信
分享本页
返回顶部