一种激光清洗效果判定的方法与流程

本发明属于激光清洗领域，具体涉及一种激光清洗效果判定的方法。

背景技术：

近几十年来，激光技术已渗入到诸多高科技领域中，激光清洗作为一种新型的清洗方式，开始取代传统的清洗技术。传统的化学清洗方法所使用的化学溶剂易挥发，对操作人员的健康造成危害并容易造成环境污染。同时，化学试剂反应慢，往往需要加热处理，清洗效率较低，化学物残留会对基板造成不同程度的腐蚀。传统物理去除法则对基板造成不同程度的损坏，不便精加工操作且效率较低。激光清洗技术利用高功率密度的激光束照射在样品表面，使待清洗的样品表面物质发生剥离或烧蚀等效应脱离物体表面。该清洗方法为非接触式，可以实现远距离操作和高效、有选择性的清洗污染物，且不损伤基板。激光清洗可以清洗各种基板表面的污染物，对环境污染小，达到很高的洁净度，成本低，其优势是传统清洗方法不能比拟的。

在激光清洗过程中，为避免基板的损伤，必须将激光能量密度选取在清洗阈值与基板损伤阈值之间，且使用适当的作用时间（针对连续激光器）或脉冲数（针对脉冲激光）。当激光能量密度过高或作用时间过长（针对脉冲激光为作用脉冲数量过多）时，将导致基板的损伤。为实现无损清洗，亟需一种能对激光清洗效果进行在线检测的技术，能有效的对激光清洗状态(清洗中、清洗完毕和基底已损伤)进行判断，支持全闭环反馈控制的激光清洗的实现。目前常用的激光清洗检测方法为全光谱判断法和图像分析法。全光谱判断法通过光谱仪测量激光清洗过程的等离子发光光谱，当基底元素对应的光谱谱线达到一定强度且待清洗物元素对应的光谱谱线的强度降低到一定程度时，判定为清洗完成。然而，受限于光谱仪的特性及价格，该方法具有检测速率低，成本高的缺点。图像分析法通过相机采集待清洗处的表面的图像，通过图像分析与识别，实现对清洗效果的判断。受限于相机的帧率及价格，该方法存在检测速度率低，算法复杂，成本高的缺点。上述两种方法都难以实现高重频激光下激光清洗的在线监测。

为了解决上述问题，本发明提出了一种利用光谱特征峰时间分辨信号来判断激光清洗效果的方法，该方法相比于全光谱和图像的判断方法具有检测速率快，成本低，能实现在线检测的优点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光清洗效果判定的方法，该方法通过探测待清洗物特征元素等离子光谱的时间分辨信号，根据信号时变特性来判断清洗效果。该判定方法相比于全光谱及基于图像识别的方法来判定清洗效果速度大大提高，可实现在线检测。

本发明涉及一种激光清洗效果判定的方法，通过光谱特征峰时间分辨信号来判断清洗效果，这一特征包括以下步骤：

s101选择检测波长；

s102激光辐照待清洗物表面，获得等离子体发光谱线；

s103获取s101中所选定波长处时间分辨光谱信号；

s104根据所获取信号的时变特性判定清洗效果。

上述一种激光清洗效果判定方法，其特征在于检测波长为待清洗表面所含元素之一对应的等离子体谱线。

上述一种激光清洗效果判定的方法，其特征在于所述等离子体发光为激光作用清洗目标物产生。

上述一种激光清洗效果判定方法，其特征在于所述激光为脉冲激光，且脉宽短于微妙，可以由固体激光器、气体激光器、光纤激光器、半导体激光器等输出。

上述一种激光清洗效果判定的方法，其特征在于所述时间分辨光谱信号为所选定波长处光强度随时间的变化信号。

上述一种激光清洗效果判定的方法，其特征在于所述信号的时变特征为信号的寿命、一定延时后信号的强度等与信号随时间变化相关的特性。

上述一种激光清洗效果判定的方法，其特征在于所述清洗效果的判定是根据所采集信号的时变特性进行，即信号寿命缩短至与逆韧致辐射一致或在延时大于拟韧致辐射寿命后信号强度小于设定值，则判定清洗干净，否者判定清洗未完成。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过时间分辨光谱对清洗效果进行判断，是一种新型的判断方法，可对高重频激光清洗效果进行实时、快速、准确的判断，为闭环控制提供基础，大大降低金属基板的损伤风险，达到高效清洗目的，此外，还具有效率高、造价低等特点。

附图说明

图1是本发明所述一种激光清洗效果判定的方法流程图；

图2是本发明所述一种激光清洗效果判定的方法装置图；

图中：1-激光器，2-反射镜，3-透镜，4-样品，5-光纤探头，6-光谱分离部分，7-光电探测器，8-高速信号采集及处理模块；

图3（a）~（d）为油漆在激光作用在等离子体光谱在375nm处（对应钛元素）的时间特性曲线，分别为实施例中样品在激光作用1个脉冲，5个脉冲，10个脉冲，15个脉冲时得到的时间特性曲线；

图4油漆清洗后的效果图，其中（a）为10个脉冲，（b）为15个脉冲。

具体实施方式

本发明为一种基于时间分辨光谱的激光清洗效果判断方法，该方法通过探测器探测等离子光谱中特征元素时间分辨信号，根据信号时变特性来判断清洗效果。

本发明所述的依据时变特性判定清洗效果有两种方式，一种是根据信号寿命是否缩短至与逆韧致辐射一致来进行判断，即信号寿命与设定值是否一致，若信号寿命大于设定值则说明没有清洗干净，若信号寿命小于等于设定值，则说明清洗干净；另一种是根据信号在延时大于逆韧致辐射寿命后，信号强度是否小于设定值，即信号某一延时点的强度是否与设定值一致，若信号强度大于设定值则说明没有清洗干净，若信号强度小于等于设定值，则说明清洗干净。为了获得良好的信噪比，该设定值可以设置为无光信号输入时探测器噪声信号的2倍以上。

图2是本发明所述一种激光清洗效果判定的方法装置图，清洗所用激光器1发出激光束通过反射镜2和透镜3聚焦在清洗物4表面，产生等离子体，等离子体发光经过光纤探头5传输进入光谱分离部分6，预先选定的特征元素对应波长的光将通过该光谱分离部分，到达探测器表面7；探测器将光信号转换为电信号，通过高速数据采集模块8采样并进行分析处理。若信号寿命缩短至与逆韧致辐射一致或在延时大于逆韧致辐射寿命后信号强度小于设定值，则判定清洗干净，否者判定清洗未完成。其中，光谱分离部分6可以为单色仪，也可以为对应待测特征波长的窄带滤光片。

实施例1

本实施例中激光器1采用波长为1064nm的调q的nd:yag脉冲固体激光器，脉宽为7ns，频率1~100hz可调，能量范围为0~100mj，通过透镜将其聚焦在白色油漆样品上，使其产生激光等离子体；反射镜2采用的是对1064nm波长45°全反的镀介质膜透镜；透镜3采用的是焦距为200mm的透镜；样品4底板采用的al基板，油漆为保赐利公司生产的白色自动喷漆，油漆均匀喷涂在基板表面，厚度约为150µm；光纤探头5的光纤直径为400µm；光谱分离部分6采用的是princetoninstruments公司型号为actonsp2750的光栅光谱仪；光电探测器7采用的是thorlabs公司型号为apd430a2(/m)探测器，探测范围为200-1000nm，带宽为400mhz；高速数据采集处理模块8采用的是北京坤驰公司型号为adq412的高速采集仪。

具体的，激光器发射光束通过透镜聚焦在目标清洗样品表面，形成激光诱导击穿等离子体光谱。初期逆轫致电子辐射会造成的连续本底光，原子的特征光谱很容易淹没在连续的本底光中。由于本底光强度衰减的很快，原子的特征光谱辐射强度衰减的较慢，随着时间的推移，原子特征光谱信号与本底之比逐渐提高。金属基底在激光脉冲作用下的等离子体发光也为拟韧致辐射，具有强度高，持续时间短的特性。则可以根据信号时变特性，对其来源进行区分，对清洗效果进行判定；本实施例中选定油漆中的钛元素作为特征元素，选定元素在375nm处的特征峰值。

进一步用光纤探头将等离子体光谱传输进入光谱分离部分，分离出特征元素钛在375nm处谱线，将其送达探测器表面，探测器将光信号转换为电信号，通过高速数据采集模块对信号进行分析处理；采集的信号时变图如图3所示，其中（a）为1个脉冲时探测的信号，（b）为5个脉冲时探测的信号（c）为10个脉冲时探测的信号（d）为15个脉冲时探测的信号。

从图中可以看出，时变信号从（a）到（d）在逐渐的变化，可以看出10个脉冲时，基本为连续本底信号，15个脉冲时本底信号已经很明显。根据信号曲线的时变特性可以知道，当激光作用油漆表面时，信号开始变化，随着脉冲数的增加，油漆开始逐渐的被清除干净，此时信号也开始逐渐的向连续本底信号演变，直至信号完全演变为连续本底光，在这一过程中油漆被完全清除干净。

进一步对激光清洗后10个脉冲和15个脉冲的清洗效果图进行了对比，如图4所示；可以看出，当激光脉冲为10个脉冲时，油漆已经被完全清洗干净，在15个脉冲时，基板已经被损伤；将10个脉冲作用后的时间特性曲线的信号寿命和某一延时点的信号强度设为初始值，用两种方式对激光清洗效果进行判断；一种是在逆韧致辐射（本实施例逆韧致辐射时间约为500ns）产生的连续本底光消失后，用信号寿命进行判定，若信号寿命大于设定（500ns）值则说明没有清洗干净，若信号寿命小于等于设定值，则说明清洗干净；另一种是根据某一延时点（本实施例取1μs处）信号强度进行判定，若信号强度大于设定值（6.15mv）则说明没有清洗干净，若信号强度小于等于设定值，则说明清洗干净。从而可以根据时间分辨光谱来准确、快速的判断清洗效果,对于激光清洗效果的判断具有重要意义。

综上所述可以通过激光诱导击穿时间分辨光谱这一方法来对清洗效果进行快速、准确的判定。