مبادئ التنظيف بالليزر

يعتمد التنظيف بالليزر على التفاعل المُتحكّم به بين إشعاع الليزر النبضي وأسطح المواد. فهو يزيل الطبقات غير المرغوب فيها، مثل الأكاسيد والدهانات والشحوم والبقايا، دون أي تلامس ميكانيكي أو مواد كاشطة أو مواد كيميائية. تعمل عملية التنظيف من خلال آليتين فيزيائيتين رئيسيتين: التأثيرات الضوئية الحرارية والضوئية الميكانيكية، وكلاهما يتأثر بمعايير تشغيل الليزر. يُعدّ الفهم العميق لهذه المبادئ ضروريًا لضمان كفاءة التنظيف مع الحفاظ على سلامة المادة الأساسية.

الآليات الفيزيائية للتنظيف بالليزر

آلية ضوئية حرارية

يعتمد التأثير الضوئي الحراري على التسخين الانتقائي. عندما يصطدم شعاع الليزر بالسطح، تمتص طبقة الملوث طاقة الليزر وتسخن بسرعة. يمكن أن تسبب هذه الحرارة ما يلي:

التمدد الحراري الذي يؤدي إلى الانفصال.

تبخر أو تحلل المواد الملوثة بالحرارة.

يؤدي الذوبان وإعادة التصلب إلى إضعاف الرابطة مع الركيزة.

تكون هذه الآلية أكثر فعالية عندما يكون امتصاص المادة الملوثة للضوء أعلى بكثير من امتصاص المادة الأساسية عند طول موجة الليزر المحدد. على سبيل المثال، غالبًا ما يمتص الصدأ أو الطلاء أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل من المعدن الأساسي.

آلية ميكانيكية ضوئية

في العملية الضوئية الميكانيكية، تُرسِب نبضات الليزر فائقة القصر (عادةً بيكو ثانية أو فيمتو ثانية) الطاقة بسرعة فائقة بحيث يكون التوصيل الحراري في حده الأدنى. وبدلاً من التسخين، تُسبب الطاقة الشديدة ما يلي:

تكوين البلازما السريع أو الانفجارات الدقيقة على سطح الملوث.

توليد موجة صدمة تعمل على إزالة الملوثات جسديًا.

كسور الإجهاد في الطبقات الهشة، مثل التآكل أو رواسب الكربون.

تعتبر هذه الآلية مثالية للركائز أو التطبيقات الحساسة حيث يجب تقليل الحرارة إلى أدنى حد، مثل الحفاظ على التراث أو الإلكترونيات الدقيقة.

معلمات الليزر الرئيسية

تعتمد فعالية وأمان التنظيف بالليزر بشكل كبير على التكوين الصحيح للعديد من معلمات الليزر:

الطول الموجي

يحدد طول موجة الليزر مقدار الطاقة التي يمتصها الملوث والركيزة. تشمل الأطوال الموجية الشائعة الاستخدام ما يلي:

1064 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء): مناسبة للمعادن والأكاسيد.

532 نانومتر (أخضر): أكثر فعالية على الأصباغ والدهانات.

355 نانومتر أو 248 نانومتر (UV): الأفضل للملوثات العضوية والبوليمرية.

الهدف هو اختيار الطول الموجي الذي يمتصه الملوث بقوة ولكن يمتصه الركيزة بشكل ضعيف.

مدة النبضة

تؤثر مدة النبضة على عمق وسرعة نقل الطاقة:

نبضات النانو ثانية: تأثيرات حرارية معتدلة؛ مثالية للتنظيف العام.

نبضات البيكو ثانية/الفيمتو ثانية: دقة فائقة، انتشار حراري ضئيل؛ مثالية للأسطح الحساسة.

النبضات الأقصر تقلل من المناطق المتأثرة بالحرارة وتُحسّن انتقائية التنظيف.

طاقة النبضة ومعدل التكرار

طاقة النبضة (تُقاس بالملي جول أو الجول): تُحدد كمية الطاقة المُقدمة في كل نبضة. يُمكن للطاقة العالية إزالة طبقات أكثر سمكًا وصلابة، ولكنها تزيد من خطر تلف الطبقة السفلية.

معدل التكرار (يُقاس بالهرتز أو الكيلوهرتز): يتحكم في عدد مرات إرسال النبضات. تُمكّن معدلات التكرار العالية من تنظيف أسرع، ولكنها قد تُسبب تراكمًا حراريًا إذا لم تُدار بعناية.

حجم البقعة والتداخل

يؤثر حجم البقعة على الدقة والكثافة. البقع الصغيرة تتيح عملاً دقيقًا، بينما تُنظف البقع الكبيرة مساحات أوسع بشكل أسرع.

يشير التداخل إلى مدى تداخل كل نبضة مع سابقتها. تتراوح نسب التداخل عادةً بين ٥٠٪ و٩٠٪ لضمان تنظيف متساوٍ. يؤدي قلة التداخل إلى ظهور خطوط، بينما قد يؤدي فرط التداخل إلى ارتفاع درجة حرارة السطح.

التفاعل مع الملوثات مقابل الركائز

من المبادئ الأساسية في التنظيف بالليزر الاستئصال الانتقائي، أي القدرة على إزالة الملوثات دون إتلاف المادة الأساسية. ويعتمد ذلك على:

تباين الامتصاص: يجب أن يمتص الملوث طاقة الليزر بشكل أكثر فعالية من الركيزة.

الموصلية الحرارية: تعمل المواد ذات الموصلية العالية (مثل النحاس والألومنيوم) على تبديد الحرارة بسرعة، مما يقلل من خطر التلف.

قوة الالتصاق: من السهل إزالة الطبقات الملتصقة بشكل فضفاض من خلال التأثيرات الضوئية الميكانيكية، في حين أن الطلاءات الملتصقة بقوة قد تتطلب قوة تماسك أعلى أو تمريرات متعددة.

يجب معايرة التنظيف بالليزر بعناية لكل تطبيق، مع مراعاة سمك الملوث وتكوينه وقوة الرابطة، بالإضافة إلى حساسية الركيزة.

التنظيف بالليزر عمليةٌ عاليةُ التحكم، مبنيةٌ على فيزياء تفاعل الليزر مع المادة. سواءً بالاعتماد على الطاقة الحرارية لتبخير الملوثات أو باستخدام موجات الصدمة الميكانيكية لإزالتها، تُقدم هذه التقنية دقةً لا مثيل لها. ويعتمد نجاحها على ضبط معاملات الليزر لكل تركيبةٍ محددةٍ من المواد، مما يُعزز إزالة الملوثات مع الحفاظ على سلامة السطح. ومن خلال إتقان الآليات الضوئية الحرارية والضوئية الميكانيكية، وضبط معاملات مثل الطول الموجي، وطاقة النبضة، وحجم البقعة، يُمكن تطبيق التنظيف بالليزر بأمانٍ وفعاليةٍ في مجموعةٍ واسعةٍ من التطبيقات الصناعية والمتخصصة.