一种基于光声喷流效应的超声波定点清洗装置及方法

技术领域

本发明涉及基于光声效应的超声清洗领域，特别是涉及一种基于光声喷流效应的超声波定点清洗装置及方法。

背景技术

超声波指频率高于20000Hz的声波，具有穿透能力强，易于在水中传播的特点。当超声波振动在液体中传播的声压达到一定程度时，会产生空化现象，使液体中的微气泡保持振动，破坏物体表面吸附的污垢，使污物层驳离，达到清洗物体的效果。超声波清洗技术由于其清洗效率高，清洗效果好，节省人工等优势，在机械，电子等行业得到了广泛的应用。

目前超声波清洗技术发展迅速，应用广泛，但仍然存在很多问题。一方面，由于传统超声波清洗机一般为清洗槽搭配对应的换能器阵列，一般对器件进行长时间的整体清洗，而在超声波清洗过程中，器件一直处于较强声压的高功率密度清洗下，可能会对物体表面产生空化腐蚀，不适用于具有精密，高光洁度表面的器件清洗；另一方面整个清洗过程无法做到对清洗成果的实时监控，容易出现清洗不充分导致的残存污垢或清洗过度导致的器件损伤等问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光声喷流效应的超声波定点清洗装置及方法，可用于解决小型复杂结构器件的精确清洗问题。其主要工作过程为，脉冲激光经分光镜分光后分别耦合入石英光纤，纳秒脉冲激光激发光纤末端附着的纳米金颗粒共振，产生超声波；由于凹腔结构的自聚焦性，超声波在特定位置具有较高声压，通过空化效应可对物体表面进行有效清洗，同时自聚焦超声波驱动超声清洗液形成喷流可迅速将污垢冲离，达到更好的清洗效果；运动控制系统控制清洗装置的位置移动，可实现对物体特定结构的扫描清洗，采用光纤内窥镜对清洗结果进行监控，同时可深入器件内部进行清洗，由于该清洗装置针对特定位置区域，更加高效和精确，有效解决了以往超声波清洗装置在清洗精密的、表面光洁度高的物体时产生“空化”腐蚀问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于光声喷流效应的超声波定点清洗装置，包括纳秒脉冲激光器、分光镜、透镜、石英光纤、平移支架、运动控制系统、套管、光纤内窥镜及内窥镜监控器，所述纳秒脉冲激光器的输出端前方设置有分光镜，纳秒脉冲激光器射出的激光经过分光镜分为两条支路，每条支路上均设有所述透镜，所述透镜的输出端均设置有石英光纤，石英光纤的尾端设置有自聚焦凹腔结构；自聚焦凹腔结构内均匀附着有纳米金颗粒，石英光纤尾端与光纤内窥镜的一端通过套管结合，光纤内窥镜的另一端与内窥镜监控器连接，所述套管固定于由运动控制系统控制的平移支架上并浸入超声清洗液中，通过运动控制系统进行控制和清洗。

进一步的，当纳秒脉冲激光辐射自聚焦凹腔结构时，纳米金颗粒共振产生超声波，由于凹腔阵列分布，声压在焦点附近集中分布，在液体中能够产生明显喷流。

进一步的，纳米金颗粒的粒径为40～60nm。

进一步的，纳秒脉冲激光器输出的激光波长为532nm、脉宽为50ns、重复频率为10kHz，纳秒脉冲激光器平均功率为400～800mW。

进一步的，调整透镜的聚焦位置时，确保脉冲激光耦合进入石英光纤的能量耦合系数大于0.5。

进一步的，石英光纤是纤芯直径为50～500μm的多模光纤。

进一步的，光纤内窥镜由工作软管、石英像纤、光导纤维和LED组成，工作软管直径0.78mm，内部设置石英像纤和光导纤维，石英像纤用于传导图像，光导纤维用于传输照明光，照明光由设置在光纤内窥镜后端的LED提供；光纤内窥镜成像的景深为2mm～50mm，目镜放大倍率为65倍，像元素为10000。

本发明还提供另一种技术方案如下：

一种基于光声喷流效应的超声波定点清洗方法，包括以下步骤：

步骤一、设置纳秒脉冲激光器的输出能量，调整透镜的聚焦位置，石英光纤尾端浸入纳米金颗粒溶液中；

步骤二、打开纳秒脉冲激光器，脉冲激光经透镜耦合入石英光纤，石英光纤尾端由于设有附着有纳米金颗粒的凹腔结构，形成基于光纤元件的光声换能器；

步骤三、关闭纳秒脉冲激光器，将石英光纤尾端与光纤内窥镜通过套管结合，固定于运动控制系统控制的平移支架上，调整平移支架位置浸入超声清洗液中；

步骤四、将待清洗器件放置于光声换能器声压焦点处，针对清洗器件结构的不同，在运动控制系统中设置清洗区域；

步骤五、打开纳秒脉冲激光器，运行运动控制系统，由于纳秒脉冲激光照射使纳米金颗粒共振产生定向超声波，通过空化效应对器件表面污垢进行清洗，同时驱动喷流将污垢冲离，在清洗过程中通过光纤内窥镜对清洗结果进行监控，实现对复杂结构器件的精确清洗。

进一步的，对于具有复杂内部结构的器件，可脱离运动控制系统直接通过石英光纤与光纤内窥镜共同组成的超声清洗探头深入器件内部进行清洗，实现清洗无死角。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.精确性高。通过纳米金颗粒在凹腔附着形成的光声换能结构，具有良好的方向性，只在某个特定位置有较高声压，可对器件细槽、小孔等易积存污垢的结构进行针对性清洗。

2.清洗效率高，针对含污垢区域进行针对性清洗，避免了以往超声波清洗装置只能整体清洗的问题，可针对器件部分高清洁要求的部分进行针对性清洗。

3.可靠性强。该清洗装置可通过运动控制系统进行扫描清洗，可精确控制清洗时间，减少了空化效应作用时间，避免了物体由于长时间的高功率密度清洗产生的“空化”腐蚀问题，可应用于精密的、表面光洁度高的物体。

4.清洗方式更加灵活。一方面该清洗装置可脱离特定的超声清洗槽，对小型器件进行定点清洗；另一方面，可与光纤内窥镜相结合，对不可见的内部结构进行清洗，并可对清洗过程进行监控。

5.产生超声波频率高。通过光声效应产生的超声波一般在MHz，为高频超声波，具有高方向性，可对基底较为脆弱的精密机构进行清洗，例如芯片基底等。

附图说明

图1是本发明装置及清洗状态简要示意图。

图2是本发明石英光纤尾端光路示意图。

图3是本发明光纤内窥镜与光纤光声换能器结合结构图。

附图标记：1—纳秒脉冲激光器，2—分光镜，3—透镜，4—石英光纤，5—平移支架，6—套管，7—光纤内窥镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图3所示，本发明提供一种基于光声喷流效应的超声波定点清洗装置，包括纳秒脉冲激光器1、分光镜2、透镜3、石英光纤4、平移支架5、运动控制系统、套管6、光纤内窥镜7及内窥镜监控器，纳秒脉冲激光器1的输出端前方设置有分光镜2，纳秒脉冲激光器1射出的激光经过分光镜2分为两条支路，每条支路上均设有透镜3，透镜3的输出端均设置有石英光纤4，石英光纤4的尾端设置有自聚焦凹腔结构；自聚焦凹腔结构内均匀附着有纳米金颗粒，石英光纤尾端与光纤内窥镜的一端通过套管6结合，光纤内窥镜的另一端与内窥镜监控器连接，套管6固定于由运动控制系统控制的平移支架5上并浸入超声清洗液中，通过运动控制系统进行控制和清洗。

本实施例给出了一组具体的超声波定点清洗装置的组成元件及其结构尺寸：

石英光纤的型号为105/125Low NA Launch光纤，基于全石英光纤结构，标准105um芯径，125um包层直径，双丙烯酸酯涂覆层易于剥离。

纳米金颗粒溶液选用纳米金颗粒的粒子直径为50nm，在浓度为0.05mg/ml的纳米金球颗粒溶液中烧蚀附着在石英光纤的凹腔内，其对应的纳米颗粒吸收峰位于535nm位置。

光纤内窥镜为柔性光纤内窥镜，采用直径为0.78mm超细光纤，长度125mm，观察距离5～10mm。其由工作软管、石英像纤、光导纤维和LED组成，内部设置石英像纤和光导纤维，石英像纤传导图像，光导纤维传输照明光，照明光由后端的LED提供。光纤内窥镜成像的景深为2mm～50mm，目镜放大倍率为65倍，像元素为10000。

选用透镜为直径25.4m，焦距为100mm的平凸透镜，焦点处光斑大小在百微米以下；调整透镜的聚焦位置时，确保脉冲激光耦合进入石英光纤的能量耦合系数大于0.5。

选用分光镜为平面镜，表面镀532nm激光50％透过率(45°)膜，可将532激光分为垂直两束相同功率大小的光；

纳秒脉冲激光器输出的激光波长为532nm、其脉宽为50ns、重复频率为10kHz，纳秒脉冲激光器平均功率为400～800mW。

通过上述超声波定点清洗装置进行清洗的具体实施步骤如下:

步骤一：设置纳秒脉冲激光器的输出能量，调整透镜的聚焦位置，石英光纤尾端浸入纳米金颗粒溶液中。

步骤二：打开纳秒脉冲激光器，脉冲激光经透镜耦合入石英光纤，光纤尾端由于较高的激光功率密度烧蚀产生凹腔结构，金纳米颗粒附着于凹腔结构表面，从而形成基于光纤元件的光声换能器。

步骤三：关闭纳秒脉冲激光器，将石英光纤尾端与光纤内窥镜通过硬质套管结合，固定于运动控制系统控制的平移支架上，调整其位置浸入超声清洗液中。

步骤四：将待清洗器件放置于光声换能器声压焦点处，针对清洗器件结构的不同，在运动控制系统中设置清洗区域。

步骤五：打开纳秒脉冲激光器，运行运动控制系统，由于纳秒脉冲激光照射使纳米金颗粒共振产生定向超声波，通过空化效应对器件表面污垢进行清洗，同时驱动喷流将污垢冲离，在清洗过程中通过光纤内窥镜进行对清洗结果进行监控，实现对精密复杂结构器件的高效精确清洗。

此外，对于具有复杂内部结构的器件，可脱离运动控制系统直接通过石英光纤与光纤内窥镜共同组成的超声清洗探头深入器件内部进行清洗，实现清洗无死角。

这样，通过基于光声喷流效应的超声波定点清洗装置可以通过对光纤超声换能器位置的调整实现对器件的全方位清洗，并通过光纤内窥镜进行全程监控。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。