《激光清洗中的监测技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光清洗中的监测技术（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、激光清洗中的监测技术第一节 已应用的监测方法激光清洗为实现无损伤清洗的目的需要引入监测系统，即需要对清洗区域进 行参数测量，并依据参考值，修改激光参数进行反馈补偿。下表列出了在激光清 洗中得到应用的各种检测方法。表 5.1 -1 激光清洗中得到使用的检测方法1英文名中文名简写Surface analyzed by Auger Electron Spectroscopy俄歇电子能谱AESAtomic force microscopy原子力显微镜AFMEfficiency= clean area/ laser spot area清洗效率ARAcoustic wave monitoring声波监测A
2、WMCCD cameraCCD相机CCDDektak3 surface profiometerDektak3表面形状计Dektak3Dark field microscopy暗场显微镜DFMDiffractive optical element (intensity projection)衍射光学兀件DOEEmission current monitoring发射电流监测ECMEnergy dispersion x-ray analyzer能量色散X射线分析 仪EDXASurface analyzed before and after by electron probe microanalys
3、is电子探针微观分析EPMPhotodiode monitoring of laser induced fluorescence激光引起的荧光监测FluorFourier transform infrared spectroscopy傅里叶变换红外谱FTIRSFuzzy rule system模糊规则系统FuzzyGamma spectrometry (measure sample activity)Y射线谱GammaHeterodyne interferometer (surface displacement)外差干涉分析仪HIBefore and after images, image a
4、nalysis software图像分析软件IPLow-energy diffraction spectroscopy低能衍射谱LEEDLaser induced plasma spectroscopy激光致等离子体谱LIPSLight scattering with He-Ne laser and spectrometer光散射LSOptical /chromatic monitoring光/色监测OCMOptical microscope /optical micrographs光学显微镜OM/OMGOptical reflectance光反射ORAutomated optical sur
5、face analyzer (limit of resolution 1 u m)光学表面分析OSAParticle counter /censor ANS100 light scattering particle counter微粒计数器PC/CANS英文名中文名简写Comparing particle densities before and after粒子数密度比较PDProbe deflection technique探针偏转技术PDTPolarized light microscopy偏振光显微镜PLMPhotomultiplier光电倍增管PMParticle measuring
6、system inc， SAS 3600 particle counting system微粒计数系统PMSPolaroid camera波拉德照相机PolProfilometer轮廓曲线仪ProfileScanning electron microscopy扫描电镜SEMSecondary Ion mass spectrometry次级粒子质谱法SIMSSpectrocolorimeter分光比色计SpectSurface photo voltage monitoring表面光电压监测SPVSi photodiode monitors specular reflection of He-Ne
7、 beam from substrate镜面反射SRSurface roughness表面粗糙度SurfVideo-based PC driven system counts particles75um diame ter成像微粒计数器VBVisual observation of contaminant removal视觉观察VisualVideo monitor成像监测VMVoltage readings电压读取VRX-ray photoelectron spectroscopyX射线光电子谱XPS这些检测方法可以分作两类，一类称为离线检测方式，一类称为在线检测方 式。区别在于能否在激光清
8、洗进行的同时对清洗参数进行获取，应用方式各有不 同。离线检测方式主要应用在预清洗方面，即正式清洗前的参数尝试和调节，且 主要适用为较为均匀的清洗对象或具有自截止机制的清洗基底的情形。在线检测 方式要更加灵活的多。在线检测方式主要分作四类，第一类是清洗对象表面成像检测，就是通过相 机、摄像机的镜头代替人眼对清洗对象的表面进行观察，技工本人对清洗效果进 行评估，相应的调节激光参数和清洗方式。这种监测方式在实际应用中使用的最 多；第二类是对清洗对象表面的一些参数进行测量，如表面的硬度、粗糙度、表 面的反射率、表面的电位等；第三类是采集激光清洗中产生的振动信号，对振动 信号(声波)的强度、转变等进行分
9、析从而确定清洗阶段和清洗效果，典型的如 激光除锈中对声波强度的测量和更广泛使用的飞行时间测量等；第四类是采集激 光清洗中产生的发光信号，通过光谱特征确定清洗当前层的物质组成，从而判定 清洗效果、阶段、效率等，典型的使用方式有XRD谱、激光诱导荧光谱和LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)等。其中 LIBS 方法具有较为广泛的适 用性和准确度，受到关注，这里做下简单的介绍。LIBSdll时询fl of emitted lightALL ELEMENTS EArtlT D6HTInBBggdrEperEian of etnined . . light
10、(spectmsmropli)ttKuhctnefil 嶄 dispersed light cwtwrtiQ-switched MdiyAfi Ldscrfiber optic图 5.1 -1 LIBS激光诱导破坏光谱的逻辑组成包括激光源、光谱仪（分光元件和 CCD 组成）、 元素特征谱表三个主要部分，如图5.1-1 所示。激光源用于等离子体的激发，多 采用紫外激光；光谱仪用于测量等离子体不同波长发光的强度，绘制等离子体光 谱，其中分光元件可以是棱镜也可以是光栅（光栅为主），最后将等离子体光谱 与元素特征谱表进行对比，确定激光作用当前层的元素组成，从而对清洗信息进 行确定。脉冲激光烧蚀一般经历
11、吸收、加热、气化、等离子体化、发光、形成烧蚀坑 等六个阶段，如图 5.1-2所示。plasma5Laser.1 atosorplionemiioncoterBvapor3bating27 H 匸二图 5.1 -2 脉冲激光烧蚀我们利用的就是第五阶段发光中的离散谱信息。材料在吸收激光能量之后， 经历较为复杂的相变过程，如熔化、气化、升华、破碎化、原子化等，生成的等 离子体第一个阶段是通过轫致辐射发射连续谱，由于这时高于电离态，连续谱信 息与发光元素之间无法建立直接联系，为无用信息；延迟一段时间之后的元素特征光谱才是有用信息，可用于光谱比对。fragmerition makingate TiEsa
12、ljri图 5.1 -3 连续发光与元素特征发光由于需要测量的是元素的特征光谱，所以在具体的LIBS装置中激光源与光谱仪之间要有一个必需的延时装置，通过控制单元实现，如图 5.1-4 所示。PJe &仃日gy duralion spot size, wavtencflhEchn&pectromelerzemy-Tunr Roiend cireleFteHeciJyit. heat capacity, netting end Boiling port. Ot&rnial Mriductiity &tc_IPDA, ICC0: Interline CCD. oeited CCO dPMeSurou
13、ndmg stmQ=phere. . natureLIBS components ste-ctorDlhr&|j&mirroir J,#；-r L*n*tsPlasmaCntrcllcr - PCSp*CbimEltrLa-&er图 5.1 -4 激光清洗的装置组成LIBS 实施装置由激发、延时、摄谱三个主要功能单元构成。整套装置需要 考虑各方面的因素，包括靶材表面的反射率、热容量、熔点、沸点、热导率、气 氛环境的组成、压强、激光器的脉冲能量、脉冲宽度、光斑尺寸、波长、延迟时 间、光谱仪与光探测器选择等。常用的激光器以准分子激光器和Nd:YAG激光器为主，其它波段的激光器也 有一定程度的采用，
14、如图 5.1-5所示。最初提出的是纳秒脉冲作为激发源的LIBS方法2,后由于超快技术的发展， 飞秒 LIBS 的应用也越来越广泛。飞秒激光相比于纳秒激光，没有热效应、也没 有等离子体屏蔽的影响（由于飞秒激光的持续时间要小于等离子体的形成时间， 如图5.1-6 所示），在性能上较为优越，只是飞秒激光器和纳秒激光器相比，造价示。也高昂的多（10 倍）。图 5.1 -5 LIBS 激光源的选择 nano sec ond in teractio n io-9s femtosecond interaction io-15s罠111吐图 5.1 -6 fs 脉冲与 ns 脉冲的比较气氛环境的组成与压强将会影响等离子体烧蚀羽的膨胀特性，如图 5.1-7所W torr100 tarr760 torr图 5.1 -7 不同压强、不同气氛环境下的烧蚀羽的膨胀连续谱与特征谱的典型曲线如图 5.1-8 所示。红线是延时 50ns 下的连续谱， 从中无法获得相应的元素信息，黑线和蓝线分别为延时 0.5 微秒和5 微秒的元素 特征谱，虽然特征谱的强度有所差异，但谱型相同，说明了 libs方法的可重复 性和有效性。图 5.1 -8 铜合金的 Li
