本發(fā)明屬于激光清洗領(lǐng)域，具體涉及一種基于高能量激光束和活性液體的納米清洗方法。

背景技術(shù)：

去除小顆粒較去除大顆粒而言似乎更容易，但隨著尺寸的減小，重力失去了它的影響，此時非常強的分子力開始占主導(dǎo)地位。尺寸小于千分之一毫米的顆粒可以用超過其重量的一百萬倍的力粘附到表面上。

目前的微清潔系統(tǒng)通常使用液體化學(xué)品，其本身是污染源，并且它們可能損害待清潔材料的表面。隨著全世界正逐漸淘汰氟利昂及其化學(xué)親屬，社會和工業(yè)正在努力尋找更好的替代品。人們都知道目前流行的已知的清潔劑將消耗臭氧層并有助于溫室效應(yīng)的產(chǎn)生。

目前有一種新的清潔技術(shù)使用高能量密度激光束和水作為主要成分。簡言之，就是將薄水膜（其厚度以納米到微米計）沉積在需要清潔的表面上。水膜通過來自激光束的能量而爆炸，并且污物顆粒從表面上升起。然后可以通過抽吸除去具有污染物的水。該方法已被證明是非常有效的，在幾次重復(fù)處理后去除了幾乎100％的不需要的顆粒。但該方法需要重復(fù)多次才能將灰塵顆粒完全去除，速度教慢，不適于大規(guī)模推廣使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題所存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于高能量激光束和活性液體過氧化氫的納米清洗方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于活性液體和激光的納米清洗方法，其特征在于：將活性液體膜沉積在所需要清理的物質(zhì)的表面，通過激光加熱液體和顆粒的界面并產(chǎn)生局部升溫和熱反應(yīng)液體，在液體中產(chǎn)生沸騰或爆炸性化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)造更高的壓力來清潔顆粒，實現(xiàn)將顆粒清離物質(zhì)表面的目的。

作為優(yōu)選，所述活性液體為水或過氧化氫。

本發(fā)明通過應(yīng)用如過氧化氫(H₂O₂)的活性液體，以更高的壓力產(chǎn)生增強的激光沖擊，來達(dá)到快速清洗物體表面污物顆粒的目的。該方法清潔污物顆粒速度快、效率高。該方法還可擴展脈沖激光工藝的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的示意圖；其中：1為激光束；2為過氧化氫(H₂O₂)；3位物質(zhì)表面；

圖2為本發(fā)明實施例中在過氧化氫(H₂O₂)和水中激光沖擊強化（LSP）后的AA6061的表面硬度（VHN）和塑性變形深度的比較圖；其中：（a）為表面硬度的比較圖；（b）為塑性變形深度的比較圖；

圖3為本發(fā)明實施例中快速化學(xué)蝕刻-輔助脈沖激光燒蝕示意圖；其中：（a）電離示意圖；（b）等離子蝕刻示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中快速化學(xué)蝕刻-輔助脈沖激光燒蝕的機理圖。

具體實施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的一種基于高能量激光束和活性液體的納米清洗方，使用高能量密度激光束1和活性液體(例如過氧化氫H₂O₂)2作為主要組成部分，將薄的活性液體膜沉積在所需要清理的物質(zhì)表面3，當(dāng)活性液體膜被來自激光束1的能量，激光可以加熱液體和顆粒的界面并產(chǎn)生局部升溫和熱反應(yīng)液體，在液體中產(chǎn)生沸騰（例如水H₂O）或爆炸性化學(xué)反應(yīng)（例如過氧化氫H₂O₂），產(chǎn)生高得多的壓力來清潔顆粒，灰塵顆粒將離開物質(zhì)表面3。帶有污染物的活性液體1通過吸取的方法被移除。

應(yīng)用活性液體限制如過氧化氫(H₂O₂)2來增強激光沖擊。其源自激光沖擊主要依賴于激光誘導(dǎo)等離子體的高密度，其由通過激光材料相互作用的靶材料的燒蝕率確定的。因此，通過使用活性液體限制可以有效地增強激光沖擊，由于更多由快速化學(xué)蝕刻反應(yīng)引起的有效燒蝕在激光燒蝕過程中同時發(fā)生。實驗結(jié)果表明：通過使用過氧化氫(H₂O₂)（而不是水H₂O）作為限制通過激光沖擊強化（LSP）后鋁合金6061（AA6061）（作為一個例子）的硬度和塑性變形深度有效增加。應(yīng)用過氧化氫(H₂O₂)2，激光沖擊強化（LSP）效率提高150％。過氧化氫(H₂O₂)增強的激光沖擊主要是在激光燒蝕和化學(xué)蝕刻相互促進所造成的較高的消融率。此外，通過鋅的脈沖激光燒蝕(PLA)的實驗結(jié)果驗證表明過氧化氫(H₂O₂)2可以顯 著增加消融率幾乎300％。對于激光沖擊強化（LSP）的AA6061實驗，鋁箔被用作吸收激光能量的燒蝕涂層產(chǎn)生激光誘導(dǎo)等離子體，而對于脈沖激光燒蝕（PLA）的鋅，頂部表面的鋅被激光脈沖直接燒蝕。

為驗證通過活性限制來增強激光沖擊，AA6061的激光沖擊執(zhí)行與過氧化氫(H₂O₂)作為約束和鋁箔作為消融器和與水下激光沖擊相比。使用在1064納米波長下操作的Surelite III系列Q調(diào)Nd-YAG激光器（摻釹釔鋁石榴石固體激光器的一種）（Continuum Inc.），其脈沖寬度（半極大處全寬度）為5ns，用于遞送激光脈沖。錘擊后樣品的顯微硬度通過一個Leco顯微硬度試驗機在25g負(fù)荷和10s保持時間下測量。處理后的表面輪廓的特征通過來自VeecoInc的Wyko NT3300HD表面輪廓儀來表征。

測量由過氧化氫(H₂O₂)和水限制的激光沖擊后的表面硬度和表面塑性變形深度，并比較評估由增強的激光沖擊引起的壓力效應(yīng)，因為直接測量激光沖擊壓力相對困難。在激光沖擊強化（LSP）工藝中，表面塑性應(yīng)變εp，取決于激光沖擊的峰值壓力，可以用公式（1），其中P是峰值壓力，HEL是雨貢紐彈性極限，σ_Y^dyn是動態(tài)屈服強度，λ和μ是根據(jù)楊氏模量E和泊松比υ的拉梅常量。由增強的激光沖擊壓力引起的較高的表面應(yīng)變帶來更強的應(yīng)變硬化效應(yīng)，并且導(dǎo)致更大的表面硬度值。另一方面，由激光沖擊壓力引起的塑性應(yīng)變是表面深度的遞減函數(shù)。塑性變形發(fā)生在峰值應(yīng)力不再超過雨貢紐彈性極限（HEL）和εp=0的深度。因此，增強的激光沖擊壓力可以表征為激光沖擊強化（LSP）后的表面硬度和塑性變形深度。

圖2為液下激光沖擊強化（LSP）的實驗結(jié)果，每個數(shù)據(jù)點是五次測量的平均值。觀察到在過氧化氫(H₂O₂)下的激光沖擊強化（LSP）導(dǎo)致比水下激光沖擊強化（LSP）更大的表面硬度（圖2（a））。例如，使用相同的激光強度8GW/cm²， 通過施加過氧化氫(H₂O₂)，硬度從113VHN（維氏硬度值）增加到123VHN?？紤]到AA6061在激光沖擊強化（LSP）前的硬度約為94VHN，過氧化氫(H₂O₂)將水下激光沖擊強化（LSP）的效率提高了153％。此外，還發(fā)現(xiàn)即使水下LSP的激光強度從4GW/cm²增加到12GW/cm²，硬度僅增加9％從108VHN到118VHN。這是因為當(dāng)激光強度超過10GW/cm²時，產(chǎn)生擊穿等離子體并導(dǎo)致峰值壓力的飽和。另一方面，用過氧化氫(H₂O₂)代替水(H₂O)可以破壞這個主要限制并且提高硬度高達(dá)約132VHN，這接近由應(yīng)變硬化引起的AA6061的飽和硬度值。同時，過氧化氫(H₂O₂)也帶來相對較大的表面變形深度（圖2（b））。例如，使用相同的激光強度10GW/cm²，過氧化氫(H₂O₂)將變形深度從0.73lμm增加到1.12lμm增福達(dá)153.4％。此外，對于水下激光沖擊強化（LSP）觀察到相同的激光沖擊飽和現(xiàn)象，并且認(rèn)為過氧化氫(H₂O₂)通過形成更深的表面凹痕有效地破壞這種限制。因此，激光沖擊強化（LSP）后的表面硬度和變形深度表明，通過施加過氧化氫(H₂O₂)作為限制介質(zhì)產(chǎn)生具有更大壓力的增強的激光沖擊，從而提高清洗效率。

通常激光沖擊的強度由激光誘導(dǎo)等離子體的膨脹引入和控制，而包括密度，壓力和溫度的等離子體參數(shù)由消融率控制。因此，由活性約束促進的更大消融率在這個過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，以增強具有更高壓力的激光沖擊。

為了理解這一過程，提出了快速化學(xué)刻蝕-輔助脈沖激光燒蝕（PLA），如圖3所示，這種機制的流程圖如圖4所示。公式（a）-（e）為過程中發(fā)生的電離和化學(xué)刻蝕反應(yīng)，其中hv表示光子能量，ΔE_T是蝕刻反應(yīng)釋放的熱能。當(dāng)金屬表面焦點處的目標(biāo)被前部的入射激光脈沖蒸發(fā)并離子化，在目標(biāo)約束界面產(chǎn)生一個激光誘導(dǎo)的等離子體羽流（圖4（a））。這種電離是主要由反-軔致輻射機制控制（等式（a）圖4），與自由電子e^-的快速生長有關(guān)。一旦產(chǎn)生，由于液體限制的約束效應(yīng)，等離子體立即被迫進入熱力學(xué)狀態(tài)。同時，等離子體壓力的顯著增加及通過吸收后部分激光能量來誘導(dǎo)溫度，隨后在表面形成具有超音速的沖擊波。許多報告已經(jīng)證明在液體限制下的激光誘導(dǎo)等離子體的壓力是在吉帕斯卡(gigapascal)的水平，溫度可以達(dá)到幾千開爾文。這種極端的環(huán)境為過氧化氫(H₂O₂)的分解反應(yīng)提供了極大的好處，其釋放原子氧O作為一個強氧化劑化學(xué)蝕刻工藝（圖4中的等式（b））。注意到這里極高的溫度可以顯著加速化學(xué)分解速率。 正如Hong等報道的那樣，在高溫環(huán)境中過氧化氫(H₂O₂)的分解速率（高于10³K）可以達(dá)到數(shù)量級10⁷cm³·mol^-1·s^-1。另外，考慮強大的液體限制的影響，有理由說明分解反應(yīng)主要發(fā)生在表面區(qū)域的等離子體羽流和大部分釋放的原子氧被限制并存在于界面處，如圖3（b）所示。此外，一些釋放的原子氧可以通過吸收較晚的激光能量進一步電離以形成電離的氧O⁺具有甚至更強的氧化性，由于逆軔致輻射過程（圖4中的等式（c））。因此，快速化學(xué)品分解速率和小的限制體積可能導(dǎo)致形成原子和電離氧的具有強的氧化性和高濃度的等離子體薄層，導(dǎo)致一個快速化學(xué)蝕刻工藝去除更多的靶材料（圖4中的（d）和（e））。

相互促進更大的消融率和增強的等離子體導(dǎo)致消融率的進一步增加，從而改變激光沖擊壓力。較高的等離子體壓力可導(dǎo)致更高的消融率。根據(jù)討論以上，具有較高內(nèi)能和壓力的增強等離子體是被期望得到的，由于以下原因。首先，化學(xué)蝕刻工藝可以增加等離子體密度和厚度通過去除更多的目標(biāo)材料，導(dǎo)致等離子壓力增加。等離子體的總壓力P為電子分壓Pe和粒子部分壓力Pp的和，如等式(2)所示。其中k_B是玻爾茲曼常數(shù)，n_e和n_p分別是電子和顆粒的量。因此，分別增加電子和顆粒密度n_e和n_p，通過化學(xué)蝕刻反應(yīng)可以加強等離子體壓力。此外，基于眾所周知的Fabbro的模型，等離子體的時間演變壓力P(t)和厚度L(t)如等式(3)所示，其中Z1和Z2是目標(biāo)和限制介質(zhì)的沖擊阻抗。它從理論上證明等離子體壓力與等離子體厚度是成比例的。能獲得預(yù)期更大的等離子體厚度因為更大的消融速率可能導(dǎo)致更深的消融深度。第二，等離子體參數(shù)可能進一步受到從化學(xué)蝕刻過程釋放的熱能的影響(圖4中方程(d)和(e))。這種熱能將被施加增加等離子體內(nèi)部熱能并打開液體/靶接口。處理期間的能量平衡可以通過等式(4)描述，其中I，E_T和α是激光強度，由等離子體吸收的熱能和恒定分?jǐn)?shù)。方程(4)顯示釋放的熱量的增加能量ΔE_T，可以導(dǎo)致更高的等離子體壓力。因此，消融速率和等離子體壓力相互促進并導(dǎo)致增強的激光沖擊。

P=P_e+P_p=k_BT_en_e+k_BT_pn_p （2）

通過應(yīng)用如過氧化氫(H₂O₂)的活性液體限制，以更高的壓力產(chǎn)生增強的激光 沖擊。提出了快速化學(xué)蝕刻-輔助激光燒蝕的機理。由消融和蝕刻過程之間的相互促進所誘導(dǎo)的較大的消融率被認(rèn)為是增強激光沖擊的關(guān)鍵因素。因此，該方法打破了當(dāng)前由于擊穿而引起的水下脈沖激光加工的主要限制，并有效地將水下激光沖擊強化（LSP）和脈沖激光燒蝕（PLA）的效率分別提高了150％和300％。因此，設(shè)想通過主動約束的增強的激光沖擊可以顯著地擴展脈沖激光工藝的應(yīng)用，例如作為激光沖擊強化（LSP），激光輔助微加工和脈沖激光燒蝕（PLA）。

本發(fā)明的活性液體可以有效增強激光沖擊的原因在于更多由快速化學(xué)刻蝕反應(yīng)引起的有效刻蝕在激光燒蝕過程中同時發(fā)生。比較利用水H₂O作為約束相比，具有過氧化氫(H₂O₂)活性液體限制的鋁合金6061的激光沖擊強度（LSP）效率提高了150%，而鋅的脈沖激光燒蝕（PLA）的消融率增加了300％。本發(fā)明具有在相同激光強度下產(chǎn)生更高的消融速率和沖擊壓力的附加機制，達(dá)到快速、高效、徹底清洗的目的，有巨大的應(yīng)用潛力。本發(fā)明不限于水和過氧化氫H₂O₂，只要激光能夠加熱液體和顆粒的界面并產(chǎn)生局部升溫和熱反應(yīng)液體，在液體中產(chǎn)生沸騰或爆炸性化學(xué)反應(yīng)，使產(chǎn)生更高的壓力清潔顆粒，那么液體和材料將有更加廣泛的組合。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請求保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。