CN114515730A - 一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，首先，脉冲激光通过锥形光纤进入到水槽中；其次，脉冲激光照射到水中的一个焦点，焦点周围水电离形成高温高压等离子体，在产生的等离子体冲击波的作用下实现杂质的收集和清除；最后，精密器件的清洗情况可以根据高速照相机收集到的精密器件的形态来进行判断。本发明通过锥形光纤中的脉冲激光聚焦水下击穿等离子体冲击波，防止激光对待清洗器件的烧蚀，保证了水下激光爆轰清洗的优势的同时，增大了可清洗的区域，避免了清洗盲区。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种表面清洗方法，具体地说是水下激光爆轰清洗的方法。
背景技术
精密仪器、纳米级芯片、微型元器件易受到微型颗粒污染物的损坏，损坏达到严重时，就不可修复了。传统的清洗方法包括超声清洗和化学浸泡清洗都会对物品产生一定的损耗和破坏。
在水下使用激光诱导形成冲击波可以有效清洗微型颗粒污染物，并且可以做到不和仪器直接接触，从而保护仪器。传统脉冲激光使用透镜组聚焦在水下形成冲击波，但会产生一些清洗盲区，操作也较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供能够有效的清除清洗传统激光器不易清洗的区域的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：
(1)将待清洗器件固定在三维移动平台上，将锥形光纤的尖端移动至待清洗器件附近，使用计算机操控三维移动平台使待清洗器件的颗粒污染物置于脉冲激光的焦点下方，通过与计算机相连的相机来确认锥形光纤的尖端与待清洗器件的位置；
(2)打开脉冲激光器，脉冲激光通过锥形光纤聚焦在焦点击穿水产生等离子冲击波，在等离子冲击波的作用力下，待清洗器件表面的颗粒污染物被清除掉；
(3)打开水槽侧面进水口和底部出水口，将水进行更换，将颗粒污染物从水中除去；
(4)重复步骤(1)至步骤(3)直至清除所有颗粒污染物。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)所述的由计算机控制的三维移动平台的移动精度为10μm，待清洗器件与三维移动平台固定采用水性双面胶，从而使清洗过程中不会由于冲击波的作用力而移动。
2、步骤(1)所述的锥形光纤为多模光纤，其锥形部分的长度为500-600μm，纤芯的直径为50μm，锥形光纤使用光纤熔接机进行拉锥，锥形光纤中激光聚焦的焦点与待清洗器件的距离确保清洗时不损伤待清洗器件，并且冲击波能作用到颗粒污染物。
3、步骤(1)所述的相机与计算机相连，时刻观察到锥形光纤的尖头的位置，从而控制三维移动平台上的待清洗器件在焦点正下方。
4、步骤(2)所述的脉冲激光器1波长为532nm或1064nm，脉宽为1-10ns之间，重复频率为1-10Hz，单脉冲能量范围为100-1000mJ；且脉冲激光器的摆放方向为水平方向，从而防止激光直接接触待清洗器件。
5、所述的待清洗器件在特制的水槽中，水槽的材质为玻璃，水槽中的水至少浸过待清洗器件上方的脉冲激光焦点，水槽中侧面有可开关进水口和底部有可开关出水口，形成一套换水装置，用于清除水中杂质。
6、所述的水槽使用进水口和出水口11换水时，锥形光纤移出水槽，从而防止锥形光纤被水的流动力破坏。
本发明的优势在于：本发明提出一种基于锥心光线水下激光爆轰清洗的方法，在水中激光聚焦产生的等离子体相比于空气中激光聚焦的等离子温度较低，有效防止待清洗器件被损耗，相比于激光直接聚焦与水中，使用锥形光纤可以更加精确的清洗颗粒污染物。通过锥形光纤中的脉冲激光聚焦水下击穿等离子体冲击波，防止激光对待清洗器件的烧蚀，保证了水下激光爆轰清洗的优势的同时，增大了可清洗的区域，避免了清洗盲区。
附图说明
图1为本发明基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法装置图；
图2为本发明锥形光纤在水中聚焦产生等离子体冲击波示意图；
图3为本发明换水系统水流流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-3，本发明一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一，将待清洗器件7固定在三维移动平台6上，将锥形光纤4的尖端移动至待清洗器件7附近，使用计算机13操控三维移动平台6使待清洗器件7的颗粒污染物8置于脉冲激光的焦点9下方，通过与计算机13相连的相机12来确认锥形光纤4的尖端与待清洗器件7的位置；
步骤二，打开脉冲激光器1，脉冲激光通过锥形光纤4聚焦在焦点9击穿水产生等离子冲击波10，在等离子冲击波10的作用力下，待清洗器件表面7的颗粒污染物8被清除掉；
步骤三，将锥形光纤4移出水槽5，防止锥形光纤4在换水3时遭到破坏，打开水槽5底部的出水口11，使水槽5中的水3流出，此时将分离的颗粒污染物8顺水流清除，将出水口11关闭，打开水槽侧面的进水口2，将干净的水3注入水槽中5没过待清洗器件7，进水的过程中可以将出水3时未完全清除的杂质再次进行清除，同时作为下一次清洗的水槽5液体；
步骤四,重复步骤一至步骤三直至清除所有颗粒污染物8，不断地用锥形光纤4中激光聚焦产生的等离子冲击波10清除不同位置的颗粒污染物8，同时进行换水3保证杂质不残留，最终达到清洗干净待清洗器件7的目的；
参见图2，激光从激光器中发出，通过锥形光纤聚焦在焦点处，聚焦的能量大于水的击穿阈值，发生击穿形成等离子体冲击波，此时待清洗器件上的颗粒污染物已经和待清洗器件进行分离，随后在焦点处产生空泡，空泡的成分为电离产生的水蒸气，由于温度和压强的变化，空泡进行膨胀和收缩，进行两个周期后溃灭，空泡在膨胀和收缩的过程中，会对分离出的颗粒污染物有一定作用力，使颗粒污染物更加远离待清洗器件，但由于空泡的产生与其效果不够稳定，所以采用换水系统来清洗掉由等离子里冲击波分离的颗粒污染物，同时也使液体环境的温度保持稳定。
参见图3，图中经过等离子体冲击波的作用力后，颗粒污染物与待清洗器件进行分离，此时将锥形光纤移出水槽，防止在换水的过程中被破坏，然后打开进水口和出水口，使水槽中的水进行流动，流动的水将颗粒污染物带走，同时将水槽中的液体环境温度恢复至室温，可以作为下一次清洗的液体环境。
由计算机控制的三维移动平台的移动精度为10μm，待清洗器件与三维移动平台固定采用水性双面胶，可以保证清洗过程中不会由于冲击波的作用力而移动；
锥形光纤锥长为1000μm，腰宽为20μm，纤芯直径为50μm锥形光纤使用光纤熔接机进行拉锥，锥形光纤中激光聚焦的焦点与待清洗器件的距离要确保清洗时不能损伤待清洗器件，并且冲击波能作用到颗粒污染物；
相机与计算机相连，可以时刻观察到锥形光纤的尖头的位置，方便控制三维移动平台上的待清洗器件在焦点正下方；
脉冲激光器波长为532nm或1064nm，脉宽为1-10ns之间，重复频率为1-10Hz，单脉冲能量范围为100-1000mJ；且脉冲激光器的摆放为水平，防止激光直接接触待清洗器件；
待清洗器件在特殊的水槽中，水槽的材质为玻璃，水槽中的水至少要没过待清洗器件上方的脉冲激光焦点，水槽中有可开关进水口和可开关出水口，形成一套换水装置，用于清除水中杂质；
水槽使用进水口和出水口换水时，锥形光纤应移出水槽，防止锥形光纤被水的流动力破坏。
颗粒污染物的直径为10nm-1mm
将锥形光纤的尖头对准颗粒污染物的正上方，通过照相机传输到计算机的画面来调节锥形光纤到颗粒污染物的距离，调节出最佳的距离，使冲击波能清洗颗粒污染物，距离不能过小要保证器件不被破坏，距离也不能过大，影响清洗范围和清洗效率。在颗粒污染物与待清洗器件分离后，将锥形光纤移出水槽，启用换水系统，将水槽中的液体进行更换，同时将颗粒污染物随水流通过出水口进行去除，反复进行操作后，清除所有的颗粒污染物。
Claims (7)
1.一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：
(1)将待清洗器件固定在三维移动平台上，将锥形光纤的尖端移动至待清洗器件附近，使用计算机操控三维移动平台使待清洗器件的颗粒污染物置于脉冲激光的焦点下方，通过与计算机相连的相机来确认锥形光纤的尖端与待清洗器件的位置；
(2)打开脉冲激光器，脉冲激光通过锥形光纤聚焦在焦点击穿水产生等离子冲击波，在等离子冲击波的作用力下，待清洗器件表面的颗粒污染物被清除掉；
(3)打开水槽侧面进水口和底部出水口，将水进行更换，将颗粒污染物从水中除去；
(4)重复步骤(1)至步骤(3)直至清除所有颗粒污染物。
2.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：步骤(1)所述的由计算机控制的三维移动平台的移动精度为10μm，待清洗器件与三维移动平台固定采用水性双面胶，从而使清洗过程中不会由于冲击波的作用力而移动。
3.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：步骤(1)所述的锥形光纤为多模光纤，其锥形部分的长度为500-600μm，纤芯的直径为50μm，锥形光纤使用光纤熔接机进行拉锥，锥形光纤中激光聚焦的焦点与待清洗器件的距离确保清洗时不损伤待清洗器件，并且冲击波能作用到颗粒污染物。
4.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：步骤(1)所述的相机与计算机相连，时刻观察到锥形光纤的尖头的位置，从而控制三维移动平台上的待清洗器件在焦点正下方。
5.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：步骤(2)所述的脉冲激光器1波长为532nm或1064nm，脉宽为1-10ns之间，重复频率为1-10Hz，单脉冲能量范围为100-1000mJ；且脉冲激光器的摆放方向为水平方向，从而防止激光直接接触待清洗器件。
6.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：所述的待清洗器件在特制的水槽中，水槽的材质为玻璃，水槽中的水至少浸过待清洗器件上方的脉冲激光焦点，水槽中侧面有可开关进水口和底部有可开关出水口，形成一套换水装置，用于清除水中杂质。
7.根据权利要求6所述的一种基于锥形光纤进行水下激光爆轰清洗的方法，其特征是：所述的水槽使用进水口和出水口11换水时，锥形光纤移出水槽，从而防止锥形光纤被水的流动力破坏。
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