專利名稱：利用能發(fā)射短脈沖的脈沖激光器清潔材料表面的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)材料、特別是對(duì)石頭、玻璃、鋼、陶瓷、木材、紙張或紙板的表面進(jìn)行清潔處理的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置，該裝置采用能發(fā)射短脈沖并使光束聚集在待清潔表面上的脈沖激光器。
在目前的已有技術(shù)中，有一些方法用于清潔被沾污了的物體或大型建筑物的表面，這些物體或建筑物是由于處在污濁或侵蝕性環(huán)境中，或在工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程中被沾污的。
關(guān)于以前的情況，包括以非破壞性的方式整修遺址、玻璃、陶瓷或金屬工藝品，如硬幣、青銅器、武器和其他古物，都是采用已知的機(jī)械方法，如噴射粉狀二氧化硅清潔石頭，或用精密磨機(jī)去除小件物體上的凝塊，或者也可采用化學(xué)方法，例如用酸。目前這些技術(shù)比較棘手，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，不夠經(jīng)濟(jì)，而且不能保證全部徹底地把沉積的污物清除掉。在實(shí)驗(yàn)室中又研制出一種新的方法，該方法使用一種釔鋁石榴石(YAG)脈沖功率激光器，該激光器自由發(fā)射激光，所獲得的脈沖在0.1微秒到約10微秒之間。
這種方法在美國(guó)專利US-4,756,765中進(jìn)行了描述，該專利涉及的是清除低熱導(dǎo)率的沾污物質(zhì)基底，例如顏料、潤(rùn)滑脂或陶瓷表面的方法，這種清除會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)并且必須以高能量將激光束直接照射在待清潔的表面上，脈沖持續(xù)時(shí)間一般大于3微秒，這樣，在聚焦以后，能量密度為2J/cm2與100J/cm2之間。盡管這后一種方法主要是用在工業(yè)上，而不是對(duì)沾污的物體或大型建筑物進(jìn)行簡(jiǎn)單的清潔處理，但它采用的是相同的物理現(xiàn)象。在國(guó)際專利申請(qǐng)WO-83/01400中發(fā)現(xiàn)了激光器大致相同的工作條件，該申請(qǐng)更專門地描述了對(duì)船身的清潔處理；能量密度為接近20J/cm2的某一值，所用的激光器通常為CO2激光器或YAG激光器。建議以較低能量來(lái)消除出現(xiàn)在金屬表面上生銹的表層的方法構(gòu)成了法國(guó)專利申請(qǐng)F(tuán)R2,467,656的發(fā)明主題；所用的激光器為CO2激光器，其焦點(diǎn)聚焦在待清潔的表面上，以使能量密度達(dá)到約5J/cm2。利用此方法，銹層變成四氧化三鐵銹層，然而，由于該銹層牢固地粘在處理過(guò)的金屬表面上，所以還必須用傳統(tǒng)的機(jī)械或化學(xué)方法進(jìn)行清除。法國(guó)專利申請(qǐng)F(tuán)R 2,300,632中也有相同的缺陷，其中激光器只是用于對(duì)金屬物體表面上的氧化物表層膜進(jìn)行加熱，所述膜最終靠機(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)作用將它們從金屬基底上清除掉。
因此，所有這些方法都具有應(yīng)用單一的缺陷，它們構(gòu)不成一種普通的統(tǒng)一方法來(lái)對(duì)處于污染或工業(yè)環(huán)境中的材料、物體或建筑物進(jìn)行清潔處理。此外，這些方法仍然有其侵蝕性，事實(shí)證明，很難限制它們只對(duì)硬化的污物層起作用。特別是由于需處理的污染物或下層物的吸收光譜范圍可以很寬，反之也可以很窄，在許多情況下，所采用的激光束的波長(zhǎng)很難適于進(jìn)行理想的清潔處理，該光束不僅可以被需清除的污物表層所吸收，而且也會(huì)被下層材料所吸收，因此就會(huì)出現(xiàn)由于熱效應(yīng)而破壞下層材料的危險(xiǎn)。事實(shí)上，一方面當(dāng)激光脈沖長(zhǎng)時(shí)，激光束聚集在待清潔材料上的平均能量會(huì)達(dá)到很高的數(shù)值，而在另一方面，當(dāng)脈沖能量和它們的頻率過(guò)高時(shí)，上述的平均能量就為已有技術(shù)方法中的情況。最后，法國(guó)專利申請(qǐng)F(tuán)R-2,525,380提到一個(gè)非常專門的應(yīng)用領(lǐng)域，在該文獻(xiàn)中描述了利用脈沖激光器可以對(duì)有放射性氧化物層的核動(dòng)力電站的各部件進(jìn)行清潔處理的情況，該脈沖激光器的強(qiáng)度足以使熱穿透該氧化物層的厚度，而且不損傷下層金屬基底。這一方法與前面所述的方法有相當(dāng)大的差別，該方法雖然建議使用大于4J/cm2、通常接近10J/cm2的能量密度，但是也可以使用較短的激光脈沖。盡管如此，該方法仍有對(duì)下層材料施加上述熱效應(yīng)的危險(xiǎn)的缺陷。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種替代這些清潔方法的方法，以克服所述的這些缺陷，當(dāng)材料表層受到相干光幅射時(shí)，該方法利用了該材料表層的揮發(fā)作用，該相干光幅射的瞬時(shí)功率密度足以在材料的界面和外部介質(zhì)上產(chǎn)生一沖擊波，由于沖擊波的作用，使復(fù)蓋所述材料的污染表層材料的至少一部份發(fā)生分介。
所以，我們應(yīng)該著重根據(jù)激光束的功率密度來(lái)考慮，而不是著重根據(jù)能量密度來(lái)考慮；事實(shí)上，本發(fā)明提出的沖擊波是由于高功率激光束與需進(jìn)行清潔處理的表面之間的瞬時(shí)相互作用形成的，也就是說(shuō)這是個(gè)簡(jiǎn)短的相互作用問(wèn)題，而不是能量問(wèn)題。這就是為什么出現(xiàn)一峰值后又緩慢衰減的激光脈沖十分適合于本發(fā)明的原因，此外，即使在瞬時(shí)功率時(shí)間過(guò)程中用傳統(tǒng)方式通過(guò)積分計(jì)算的聚集能量也可重新取得可與上述已有技術(shù)專利中提到的數(shù)值相比較的數(shù)值。在這種情況下，沖擊波可以只在所有主要熱吸收現(xiàn)象的外部形成，顯然，在這種情況下應(yīng)避免使激光脈沖的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和/或能量過(guò)高。
因此，本發(fā)明的方法涉及了一種對(duì)材料，尤其是對(duì)石頭、玻璃、鋼、陶瓷、木材、紙張或紙板等的表面進(jìn)行清潔處理的方法，該方法采用了聚集在需作清潔處理的表面上的激光束，其特征在于，為此把所用激光器的“峰值功率”調(diào)整到幾百千瓦和幾十兆瓦間的某一數(shù)值，所選擇的需清潔表面上的激光束直徑應(yīng)能使該表面上的“峰值功率”密度在每平方厘米十分之幾兆瓦到每平方厘米幾十兆瓦之間。
按照本發(fā)明的另一特征，激光器產(chǎn)生的脈沖的持續(xù)時(shí)間可以在幾毫微秒到幾微秒之間變化。
按照另一特征，由該激光器發(fā)射的輻射波長(zhǎng)處于污染材料的吸收光譜內(nèi)，該需清潔的材料的表面形成一表層。
另外，由于污染材料的吸收光譜一般不同于需清潔的下層材料的吸收光譜，所以當(dāng)材料表面的清潔度提高時(shí)，污染程度較低的表層材料就會(huì)反射較多的激光輻射，因而使下層材料發(fā)生改變的危險(xiǎn)實(shí)際上也就不存在了。這種作用在對(duì)石頭(例如花崗石)進(jìn)行清潔處理時(shí)就特別容易理解。
對(duì)于酸浸或除銹材料的情況是相同的，這些材料主要是金屬材料以及更一般的材料，這些材料的吸收光譜部份地包括了污染材料的吸收光譜，但是按照本發(fā)明的附加特征，可以使用發(fā)射頻率可變或可調(diào)的激光器，激光器的發(fā)射波長(zhǎng)在清潔處理過(guò)程中可以作連調(diào)或不連調(diào)，為此波長(zhǎng)范圍就需要是兩種吸收光譜的函數(shù)。當(dāng)污染材料的吸收光譜很窄時(shí)，用這種激光器使本發(fā)明的方法更加有效，因?yàn)樵谶@種情況下，可調(diào)激光器可以使該材料在最佳狀況下?lián)]發(fā)。相反，對(duì)于由所用的可調(diào)激光器能發(fā)射的某些波長(zhǎng)來(lái)講，人們可以從需清潔的下層材料的透明“窗口”中獲益，這些波長(zhǎng)進(jìn)一步被污染材料吸收，在這種情況下，下層材料被破壞的危險(xiǎn)性明顯減小。
因此，使用瞬時(shí)功率高的激光脈沖是本發(fā)明方法的要點(diǎn)，每個(gè)脈沖的能量是固定的，這樣我們就可以清楚地知道，所述脈沖的持續(xù)時(shí)間減少得越多，則它們的“峰值功率”就越是增加?？恳宰銐蛐〉募す夤馐睆綄⒂行Чβ示奂谛枨鍧嵉谋砻嫔系姆椒ǎ瑒t使有效功率密度越來(lái)越大。
短的脈沖持續(xù)時(shí)間使得聚集在需清潔材料上的平均功率可以只有幾瓦或十幾瓦，如果采取監(jiān)測(cè)激光器發(fā)出脈沖的重復(fù)頻率的方法，則可以對(duì)該功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
由于本發(fā)明的方法需要較低的平均功率，這就可以有效地使用小尺寸低耗能的激光器，即使在該激光器工作極限較低時(shí)也是如此。激光器可以采用固體放大介質(zhì)激光器，特別是摻釹的YAG類激光器、摻鈦的蘭寶石激光器、以及金綠寶石類激光器、染料激光器或復(fù)合受激態(tài)激光器，當(dāng)然這里所列的激光器并非全部。
在參照附圖閱讀了如下描述后，本發(fā)明將更容易理解，其中

圖1為按本發(fā)明方法用于清潔歷史遺物的裝置的總視圖；圖2為下文要描述的手持件的正視圖；圖3為下文要描述的用于分離激光束的光學(xué)系統(tǒng)的原理圖。
現(xiàn)在參照附圖，在本發(fā)明方法的第一個(gè)實(shí)施例中，采用了摻有釹作固體放大介質(zhì)的釔鋁石榴石(YAG)激光器，它以光量開關(guān)的方式工作，因而提供了脈沖持續(xù)時(shí)間在約10毫微秒到約30毫微秒之間的脈沖，為了適應(yīng)專門用于本發(fā)明方法的工作狀態(tài)，脈沖能量最大值約為500毫焦耳，從所述激光器發(fā)射出并照射到需清潔表面上的激光束的平均直徑約小于10毫米。
這種為m3數(shù)量級(jí)的小型激光器便于運(yùn)輸，它的能量供應(yīng)裝置由一個(gè)等尺寸的小箱構(gòu)成。在上述狀態(tài)下，能量消耗約為每小時(shí)4千瓦，選擇的脈沖重復(fù)頻率約為30赫茲。這樣就可以將該裝置與一個(gè)可移動(dòng)的發(fā)生器相接，使得該裝置特別適用于清潔物體或清潔處于沾污介質(zhì)中的大型建筑物，例如塑像、歷史遺跡或其他古物的工作現(xiàn)場(chǎng)。該裝置也完全可以應(yīng)用于清潔其他更為普通的大型建筑物，而且仍具有其經(jīng)濟(jì)效益。
激光器頻率的選擇不是很重要的，但是，根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室和工作現(xiàn)場(chǎng)所作的研究似乎表明，當(dāng)頻率約為十幾赫茲時(shí)，激光器能獲得最佳效果，事實(shí)上，下面描述的本發(fā)明的方法給出了在清潔建筑物外部時(shí)所用的非限定性的特例。
根據(jù)圖1，激光束的焦點(diǎn)在要清潔的表面上的移動(dòng)是由操作者來(lái)控制的，最好是采用自動(dòng)移動(dòng)的光學(xué)掃描式激光器，這種激光器的不足在于會(huì)引起一系列重復(fù)性缺陷，以及激光束截面能量的空間不均勻性，即使是在焦點(diǎn)聚集在需清潔的表面上之后也是如此。但是，應(yīng)注意到，在本發(fā)明方法的其他應(yīng)用，尤其是工業(yè)范圍內(nèi)的應(yīng)用中，自動(dòng)移動(dòng)是有用的。
根據(jù)圖1、2和3，用于實(shí)施本發(fā)明方法的裝置非常適合于人工操作，它工作可靠，效率高。該裝置一方面包括一個(gè)具有激光器2和其電源3的機(jī)械設(shè)備1，另一方面包括一個(gè)按裝在從所述機(jī)械設(shè)備1發(fā)出的激光束5通路上的箱4，該箱4包括一個(gè)用于將激光束5分離成許多其他激光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g的光學(xué)系統(tǒng)，這些激光束的能量彼此相等，所述激光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g又被光纖集管6引導(dǎo)到手持件7，該手持件7有一個(gè)用于將激光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g復(fù)合成單一激光束9的光學(xué)裝置8，和一個(gè)用于調(diào)整所述復(fù)合后的激光束9的直徑11的光學(xué)裝置10，此第二裝置10比如可由一個(gè)遠(yuǎn)焦光學(xué)組件12構(gòu)成，所述手持件7具有便于清潔待清潔表面的操作者操作的適當(dāng)?shù)某叽纭?br> 因此，這種清潔方法的效率很高在清潔石筑的歷史遺跡的一般條件下，據(jù)估計(jì)在一小時(shí)內(nèi)可以恢復(fù)一平方米的表面，該效率與噴射硅粉的機(jī)械工藝的效率相比大為提高，噴射硅粉的方法每天最多恢復(fù)一平方米的表面。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的一個(gè)重要特點(diǎn)是選擇將激光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g傳輸?shù)绞殖旨?的光導(dǎo)纖維6。這一選擇直接關(guān)系到由這些光導(dǎo)纖維6傳送的激光脈沖持續(xù)時(shí)間的選擇；事實(shí)上，對(duì)于每種纖維，都存在著一個(gè)激光束以“峰值功率”傳輸?shù)淖畲髽O限。這就解釋了用于將激光束5分離成許多其他光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g的光學(xué)系統(tǒng)6的作用。
用于將激光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g傳導(dǎo)到手持件7的光導(dǎo)纖維最好采用一個(gè)二氧化硅芯和一個(gè)二氧化硅的包層或硬硅。在目前采用光導(dǎo)纖維的情況下，這種選擇似乎是唯一可行的，至少就提供很高峰值功率的激光束的傳輸來(lái)說(shuō)是如此。
還應(yīng)該注意的是所選擇的光導(dǎo)纖維長(zhǎng)度約為30米，這樣就可保證操作者在工作時(shí)離實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的固定部件有一段足夠遠(yuǎn)的距離。
最后，利用堅(jiān)固的外套13對(duì)光導(dǎo)纖維進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，使該裝置可應(yīng)用于工作現(xiàn)場(chǎng)。
此外，還必須保護(hù)整個(gè)裝置，防止由激光器清潔時(shí)所產(chǎn)生的灰塵的侵害在需清潔表面的附近，也就是說(shuō)在距表面約20厘米處，手持件7的光學(xué)元件外表面71會(huì)受到灰塵的侵害，這些灰塵是由于石頭上污物表層的飛濺造成的。在手持件7的內(nèi)部或外部設(shè)置一個(gè)能產(chǎn)生流體(最好是空氣)射流14的裝置，可對(duì)光學(xué)元件表面71進(jìn)行連續(xù)或間歇的除塵。用一個(gè)壓縮機(jī)向該裝置供氣，壓縮機(jī)與產(chǎn)生射流1 4的裝置之間最好用一根管子連接起來(lái)，這根管子由用來(lái)加強(qiáng)纖維6的外套13來(lái)保護(hù)。
另外，箱4含有將激光束5分離成許多光束5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g的光學(xué)系統(tǒng)，該箱最好是內(nèi)部為真空的密封箱；這種結(jié)構(gòu)可有效地防止激光束分離系統(tǒng)的光學(xué)元件受到灰塵的侵害。但是，還應(yīng)避免激光束5聚集在箱4內(nèi)部、處在所述激光束5通路上的灰塵上而造成的故障。
最后，位于手持件7體內(nèi)的用來(lái)調(diào)整復(fù)合激光束9的直徑的光學(xué)部件10的作用應(yīng)予以注意。該光學(xué)部件10可由遠(yuǎn)焦點(diǎn)光學(xué)組件12組成，該組件包括一個(gè)發(fā)散透鏡和一個(gè)會(huì)聚透鏡，光學(xué)部件10使得從激光束的有效相同能量中獲得可變“峰值功率”密度成為可能操作者可以根據(jù)觀察到的要清潔表面的污垢外表的堅(jiān)硬程度來(lái)改變清潔效率效率的改變是通過(guò)利用光學(xué)部件10來(lái)增大直徑i1而實(shí)現(xiàn)的，這樣可直接改變清潔效率。
根據(jù)本發(fā)明方法的第二個(gè)實(shí)施例，采用染料激光器或者采用摻有鈦或金綠寶石的固體介質(zhì)蘭寶石激光器。這類激光器是可變或可調(diào)頻率的激光器。典型的染料激光器以可見光譜發(fā)射，波長(zhǎng)根據(jù)所用染料為500和720毫微米之間。摻鈦的蘭寶石激光器發(fā)射的激光波長(zhǎng)為700到1100毫微米的范圍內(nèi)，同時(shí)使用一種眾所周知的信頻器，信頻器利用由電場(chǎng)在材料內(nèi)形成的光學(xué)雙折射現(xiàn)象，這樣就可以使波長(zhǎng)范圍在350到550毫微米之間有效地變化。因此，用這種方法，在對(duì)需清潔的材料以及形成一表層的沾污材料的各吸收光譜進(jìn)行預(yù)先研究之后，就可以選擇和調(diào)節(jié)可調(diào)激光器的發(fā)射波長(zhǎng)，以便所用激光器具有最佳的清潔條件，即對(duì)于激光束來(lái)講伴隨有沾污材料的最佳吸收效率，而且不會(huì)因此改變適于產(chǎn)生沖擊波現(xiàn)象的足夠短的脈沖持續(xù)時(shí)間，這就是本發(fā)明方法的特征。
因此，染料激光器可采用“自由持續(xù)方式”，即在正常工作條件下工作，在這種情況下激光器發(fā)射幾微秒的脈沖，或者采用光亮開關(guān)方式，脈沖在該情況下持續(xù)幾毫微秒的時(shí)間。與此相反，在采用已經(jīng)提到過(guò)的固體放大介質(zhì)激光器的情況下，如按“馳豫方式”，脈沖持續(xù)時(shí)間為1至3微秒之間，如采用光亮開關(guān)方式，脈沖持續(xù)時(shí)間約為幾十毫微秒(可將該持續(xù)時(shí)間與按某種方式工作的YAG式非可調(diào)固體放大介質(zhì)激光器的脈沖發(fā)射持續(xù)時(shí)間相比較)。
采用可變或可調(diào)頻率的激光器，對(duì)于要清潔的下層材料和復(fù)蓋其表面或貫穿其中的沾污材料的吸收光譜來(lái)講具有重大的影響，事實(shí)上，在這種情況下，就有改變下層材料的危險(xiǎn)，這將造成難以解決的問(wèn)題，除非按照上面提到的法國(guó)專利申請(qǐng)F(tuán)R-2,525,386中給出的技術(shù)教導(dǎo)，使提供給激光器的工作條件能使激光器在發(fā)出的脈沖與要清潔或要去垢的材料表面相互作用期間會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，該熱效應(yīng)受脈沖貫穿的深度的限制。利用可調(diào)激光器，總可以找到避開下層材料吸收光譜的工作波長(zhǎng)范圍的，當(dāng)表面的沾污層揮發(fā)時(shí)，如果該范圍內(nèi)的波長(zhǎng)被沾污材料正確地漸漸吸收或全部吸收，那么在清潔處理開始時(shí)就可應(yīng)用該范圍的波長(zhǎng)；在后一種結(jié)構(gòu)中，用一個(gè)適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)裝置(帶反饋或不帶反饋)使其按波長(zhǎng)發(fā)出激光光束。
這里采用的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的可調(diào)激光器的特定實(shí)施例包括清潔各種工業(yè)環(huán)境中的管狀產(chǎn)品，這些管狀產(chǎn)品可以是制造中的，也可以是用后需除垢的。在這些特定情況下，使用可調(diào)激光器是不受限制的，而且事實(shí)證明，在上面已提到的條件下以光亮開關(guān)方式工作的YAG、激光器也是適用的。此外，使用發(fā)射紫外輻射的復(fù)合受數(shù)態(tài)激光器被證明也是有利的，這主要是由于從管狀產(chǎn)品的表面上除去的沾污材料通常具有硫態(tài)結(jié)構(gòu)，這與下面的描述相符。
這里有一個(gè)沖刷、清除油漬，或更一般地說(shuō)是去除潤(rùn)滑劑產(chǎn)品，如處在管狀產(chǎn)品內(nèi)壁和/或外壁上的易溶玻璃或油脂的問(wèn)題，該管狀產(chǎn)品來(lái)自拔絲廠，或用一個(gè)芯軸貫穿其中，然后再用傳統(tǒng)的方式膨脹或縮小來(lái)制造的。在管或管狀產(chǎn)品脫離成型裝置，即鍛壓裝置以后，由于生產(chǎn)上使用潤(rùn)滑劑，特別是這些產(chǎn)品從位于拉制裝置上游處的貯存地出來(lái)時(shí)是很臟的。到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)知道，為了去除涂在管狀產(chǎn)品上的潤(rùn)滑劑，可采用化學(xué)方法和/或采用內(nèi)和/或外部噴丸的機(jī)械方法，這種操作對(duì)于某些專門的后繼處理來(lái)說(shuō)還是必要的。
按照本發(fā)明，在管狀產(chǎn)品拉制成型后，例如從拉絲廠出來(lái)以后，用激光束對(duì)其至少一個(gè)內(nèi)或外表面進(jìn)行掃描以去除潤(rùn)滑劑層和殘留氧化層，用于該目的激光器具有所有的必要特征，它在下層材料的表面，比例鋼制物質(zhì)(當(dāng)然也不排除其他物質(zhì))的表面形成分離所述層的沖擊波，此外，對(duì)于發(fā)射頻率來(lái)說(shuō)，所述激光器為可調(diào)或不可調(diào)的。
同樣，在工業(yè)環(huán)境中使用的管子，在被沉積物污染或在具有侵蝕性狀況下，尤其是在發(fā)電廠使用以后，就可以利用相同的工藝去除該管的污垢。在這種情況下，按本發(fā)明的實(shí)施例需要將激光束相互作用所選擇的區(qū)域附近，并按本發(fā)明上述的技術(shù)教導(dǎo)，利用至少一根光導(dǎo)纖維傳輸激光束，這時(shí)本發(fā)明的優(yōu)越性就會(huì)很容易體現(xiàn)出來(lái)。應(yīng)當(dāng)注意到使用可調(diào)激光器可以大大簡(jiǎn)化該清潔方法的實(shí)施例；事實(shí)上，可調(diào)激光器可在所用激光器的波長(zhǎng)和要清潔的下層材料以及復(fù)蓋在該材料表面上的沾污物質(zhì)的各吸收光譜之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。激光器可以以低能耗工作，它利用光導(dǎo)纖維很容易傳輸光束，即使只用一根光導(dǎo)纖維，或不采用二氧化硅或硬硅纖維而采用其他類型的纖維，都是很容易傳輸光束的。
顯然，不僅僅上述實(shí)施例，任何按照本發(fā)明方法制造的裝置進(jìn)行清潔的方法，如采用本發(fā)明的構(gòu)思，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
本發(fā)明特別適用于藝術(shù)品的修復(fù)，無(wú)論藝術(shù)品是歷史遺跡、木制家具、玻璃或陶瓷。另外本發(fā)明還適用于清潔在生產(chǎn)過(guò)程中或使用以后需除污垢的管狀產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.用于對(duì)材料，特別是如對(duì)石頭、玻璃、鋼、陶瓷、木料、紙張或紙板表面進(jìn)行清潔處理的方法，這種方法是將激光束聚集在需進(jìn)行清潔的表面上。其特征在于用于該目的的激光器的“峰值功率”被調(diào)整到幾百千瓦和幾十兆瓦之間的某一數(shù)值，選擇照射到需清潔的表面上的激光光束直徑時(shí)，應(yīng)使該表面上的“峰值功率”密度為每平方厘米十分之幾兆瓦到每平方厘米幾十兆瓦之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的材料表面清潔處理方法，其特征在于所述激光器產(chǎn)生的脈沖的持續(xù)時(shí)間為幾毫微秒到幾微秒之間。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的材料表面清潔處理方法，其特征在于所述激光器發(fā)射的幅射波長(zhǎng)處在需清潔的表面上所形成的一表層的污染材料的吸收光譜內(nèi)。
4.按照上述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的材料表面清潔處理方法，其特征在于采用發(fā)射頻率可變或可調(diào)的激光器，激光器的發(fā)射頻率在清潔處理過(guò)程中可進(jìn)行連調(diào)或不連調(diào)，所需的波長(zhǎng)范圍主要隨清潔的下層材料和復(fù)蓋在下層材料表面上的污染材料的各吸收光譜而變化的。
5.按照權(quán)利要求4所述的材料表面清潔處理方法，其特征在于使用染料激光器。
6.按照權(quán)利要求4所述的材料表面清潔處理方法，其特征在于采用頻率可變或可調(diào)的固體放大介質(zhì)激光器、摻鈦的蘭寶石類激光器或金綠寶石類激光器。
7.按照權(quán)利要求1至3中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的材料表面清潔方法，其特征在于采用一種摻釹的YAG晶體或玻璃類的固體放大介質(zhì)激光器，它以光量開關(guān)方式工作，所發(fā)出的脈沖的持續(xù)時(shí)間約為10毫微秒至30毫微秒之間，每個(gè)脈沖的最大能量接近500毫焦耳，從所述激光器發(fā)射出的激光光束在要清潔表面上的截面直徑約為10毫米。
8.按照權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的材料表面清潔處理方法，其特征在于采用復(fù)合受激態(tài)激光器。
9.用以對(duì)一管狀產(chǎn)品的內(nèi)和/或外表面進(jìn)行清潔處理的方法，其特征在于對(duì)于在所述表面上的潤(rùn)滑油層和/或氧化物層——它們是在從拉模中拉出該管狀產(chǎn)品或所述管狀產(chǎn)品在污染的環(huán)境中使用時(shí)形成的——利用下面的方法進(jìn)行消除利用激光器對(duì)至少一個(gè)內(nèi)或外表面進(jìn)行掃描，用于該目的的激光器具有所有必需的特征，它在下層材料的表面，例如鋼制材料——當(dāng)然也不排除其他材料——的表面形成分離所述層的沖擊波，此外，對(duì)于發(fā)射頻率來(lái)說(shuō)，所述激光器是可調(diào)或不可調(diào)式的。
10.按照前述任何一個(gè)權(quán)利要求的用于對(duì)材料表面進(jìn)行清潔處理的方法所用的裝置，其特征在于它一方面包括有一個(gè)機(jī)械設(shè)備，該機(jī)械設(shè)備由激光器和其電源組成，另一方面包括一個(gè)位于從所述機(jī)械設(shè)備發(fā)出的激光光束通路上的箱，該箱包括一個(gè)用于將激光光束分離成許多能量彼此近似相等的其他激光光束的光學(xué)系統(tǒng)，然后將所述許多激光光束由一個(gè)光纖組件傳輸?shù)揭粋€(gè)手持件上，該手持件具有一個(gè)用于將許多束激光光束復(fù)合成一個(gè)單激光光束的光學(xué)部件和一個(gè)用于調(diào)整所述復(fù)合激光光束直徑的光學(xué)部件，該第二個(gè)光學(xué)部件可由遠(yuǎn)焦光學(xué)組件構(gòu)成，所述手持件具有能使對(duì)表面進(jìn)行清潔處理的操作人員很容易操作的足夠的尺寸。
11.按照權(quán)利要求10所述的進(jìn)行材料表面清潔處理的方法的裝置，其特征在于用來(lái)將多束激光光束傳輸?shù)绞殖旨系墓鈱?dǎo)纖維具有一個(gè)二氧化硅芯和一個(gè)二氧化硅或硬硅的外套。
12.按照權(quán)利要求10或11所述的進(jìn)行材料表面清潔處理的方法的裝置，其特征在于一個(gè)能噴射流體射流、最好是空氣射流的裝置設(shè)置在手持件的內(nèi)部或外部，該裝置用于連續(xù)或不連續(xù)地清除手持件的光學(xué)部件外表面上的灰塵。
13.按照權(quán)利要求10、11或12所述的進(jìn)行材料表面清潔處理的方法的裝置，其特征在于包含用于將激光光束分離成多束激光光束的光學(xué)系統(tǒng)的箱是一個(gè)內(nèi)部形成真空的密封箱，這種真空能有效地保護(hù)光學(xué)部件，使其免受灰塵侵蝕，并且能避免箱內(nèi)激光光束的聚焦所產(chǎn)生的破壞作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來(lái)對(duì)材料，尤其是對(duì)石頭、玻璃、鋼、陶瓷、木料、紙張或紙板的表面進(jìn)行清潔處理的方法，這種方法采用了聚集在要清潔表面上的激光光束，其特征在于將所用激光器的“峰值功率”調(diào)到幾百千瓦和幾十兆瓦之間，選擇激光光束直徑時(shí)，應(yīng)使該表面上的“峰值功率”密度在每平方厘米十分之幾兆瓦到幾十兆瓦之間。本發(fā)明特別適用于藝術(shù)品，如歷史遺跡、木制家具、玻璃或陶瓷等的修復(fù)以及對(duì)正在制造中的和使用過(guò)后需除垢的管狀產(chǎn)品進(jìn)行清潔處理。
文檔編號(hào)B23K26/00GK1048339SQ9010078
公開日1991年1月9日 申請(qǐng)日期1990年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月17日
發(fā)明者伯格·休伯特, 鮑奎龍·讓-皮爾, 布勒遜·菲利蒲 申請(qǐng)人:技術(shù)開發(fā)地區(qū)事務(wù)所