摘要：哈尔滨工业大学、汕头大学的科研人员分别综述报道了激光清洗技术的基本机理及其在工业中的典型应用研究进展。相关论文以“Mechanism and application of laser cleaning: A review”、“The Fundamental M

长三角G60激光联盟导读

哈尔滨工业大学、汕头大学的科研人员分别综述报道了激光清洗技术的基本机理及其在工业中的典型应用研究进展。相关论文以“Mechanism and application of laser cleaning: A review”、“The Fundamental Mechanisms of Laser Cleaning Technology and Its Typical Applications in Industry”为题分别发表在《Optics and Lasers in Engineering》、《Processes》上。

激光清洗因其绿色、环保、高效的特点，已成为一项极具前景的技术。它将逐渐取代机械、化学和超声波等传统清洗工艺。作为21世纪最具潜力的清洗技术，激光清洗被视为清洗领域的“颠覆者”。激光清洗是一种先进的表面清洗技术，它利用高能激光束照射部件表面，可使基体表面的附着物（如污染物、锈迹和涂层等）瞬间蒸发和剥离。与常见的表面清洗技术相比，激光清洗具有精准、高效和可控的优点。由于激光清洗的对象众多、清洗条件多样且清洗要求严格，目前激光清洗技术和设备在效率和智能化方面仍存在许多问题。哈尔滨工业大学科研人员在大量实验和理论研究的基础上，详细阐述了激光干洗、液体辅助激光清洗和激光冲击波清洗这三种激光清洗方法的具体作用机理。讨论了激光强度、波长、脉宽和入射角等关键激光参数对清洗效果的影响。介绍了脉冲激光技术在文物保护、工业金属表面处理、半导体行业和光学镜片等方面的典型应用及清洗工艺参数。指出了激光清洗目前存在的问题和未来的发展趋势，为阐明激光与被清洗物体之间的多重作用机理以及建立清洗工艺数据库提供了重要的工程实用价值。

汕头大学科研人员也详细总结了激光清洗技术的基本机理，包括激光热烧蚀机理、激光热应力机理和等离子体冲击波机理。讨论了每种机理的工作原理、特点和应用范围。根据所使用的基体材料的不同（包括金属材料、非金属材料和半导体元件），概述了它们在工业中的典型应用。本研究为研究人员进一步探索激光清洗的基本机理以及激光清洗在工业典型应用的各个方面提供了重要的参考和指导依据。

关键词：激光去除机理；激光干洗；液体辅助激光清洗；激光冲击波清洗；激光清洗；激光热烧蚀；激光热应力；等离子体冲击波；典型应用；

图1.脉冲激光发展历程

图2.三种典型脉冲激光清洗方法示意图

图3.激光热烧蚀机理示意图

图4.激光热应力机理示意图

图5.等离子体冲击波机理示意图

图6.激光干洗机理及关键激光参数对清洗效果的影响。(a)激光干洗机理；(b)激光清洗常用波长；(c)不同脉宽对清洗效果的影响；(d)掠射角对清洗效果的影响：(d1)垂直照射，(d2)倾斜照射；(e)正负角度对清洗效果的影响：(e1)正向照射，(e2)反向照射

图7.液体辅助激光清洗的作用机理

图8.激光冲击波清洗的作用机理：(a)干式激光冲击波清洗作用机理；(b)改进的干式激光冲击波清洗作用机理：(b1)掠射角下单光束激光冲击波清洗作用机理，(b2)双光束激光冲击波清洗作用机理；(c)湿式激光冲击波清洗作用机理

图9.激光清洗区域与未清洗区域界面的横截面图，显示了激光清洗的材料去除深度

图10.氧化锌层表面金相图：(a)激光清洗；(b)酸洗

图11.氧化铝颗粒去除区域的光学显微镜图像：(a)激光功率为13W；(b) 激光功率为39W

图12.碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板表面在激光清洗前后的宏观图像

图13.激光清洗过程前后的晶圆表面图像：(a)激光清洗前；(b)激光清洗后

图14.激光清洗去除钢表面的铀混合物

图15.水滴从经激光照射形成的疏水性涂漆表面滚落的时间序列图

图16.激光照射后各种聚合物层的扫描电子显微镜（SEM）图：(a)碳掺杂聚碳酸酯上的线状点；(b)聚醚醚酮上的离散斑点；(c)聚酰亚胺（PI）上的锥形结构

图17.脉冲激光在文物领域的典型应用。石质文物：(a)古罗马大理石《奥德修斯》雕塑：(a1) 清洗前，(a2)清洗后；(b)罗马大理石骨灰瓮棺：(b1)清洗前，(b2)清洗后；(c)希腊雅典卫城帕特农神庙浮雕。纸质文物：(d) 15世纪木板油画《彼拉多面前的基督》：(d1)清洗前，(d2)清洗后；(e)19世纪现代油画《狩猎场景》：(e1)清洗前，(e2)清洗后。金属文物：(f) 伊利诺伊大学的青铜雕塑：(f1)清洗前，(f2)清洗后；(g)银质猎枪：(g1)清洗前，(g2)清洗后；(h)19世纪军用金色穗带：(h1)清洗前，(h2)完全清洗后，(h3)过度清洗后。其他文物：(i)19世纪镀金木框：(i1)清洗前，(i2)清洗后；(j)19世纪非洲藤编垫子：(j1)清洗前，(j2)清洗后；(k)古埃及玻璃器皿：(k1)清洗前，(k2)清洗后

图18.脉冲激光在工业金属表面处理中的典型应用。(a)铝合金表面氧化膜：(a1)清洗前微观形貌，(a2)清洗后微观形貌；(b)高速铁路车轴表面蓝色油漆：(b1)清洗前，(b2)清洗后；(c)铝合金表面海洋生物膜：(c1)清洗前，(c2)清洗后；(d)飞机蒙皮（铝合金）底漆：(d1)清洗前，(d2)清洗后；(e)铝合金表面焊渣：(e1)清洗前，(e2)清洗后；(f)低碳钢表面锈迹：(f1)清洗前，(f2)清洗后；(g)柴油机钢活塞表面积碳：(g1)清洗前，(g2)清洗后；(h)AH36钢基体表面海洋微生物：(h1)清洗前，(h2)清洗后；(i)压缩机钢质叶轮叶片表面硫化物：(i1)清洗前，(i2)清洗后；(j)TA15钛合金进气口表面氧化物：(j1)清洗前，(j2)清洗后；(k)钨丝表面氧化物：(k1)清洗前，(k2)清洗后；(l)铜基合金表面氧化物

图19.脉冲激光在半导体行业中的典型应用。(a)硅狭缝侧壁的二氧化硅颗粒：(a1)清洗前，(a2)清洗后；(b)硅表面的金颗粒：(b1)清洗前，(b2)清洗后；(c)硅表面的钨颗粒：(c1)清洗前，(c2)清洗后；(d)硅片上的铜颗粒：(d1)清洗前，(d2)清洗后；(e)硅表面的氧化铝颗粒；(f)沉积在熔融硅基体上的金层；(g)硅片上的聚苯乙烯乳胶纳米颗粒：(g1)干式激光冲击波清洗工艺示意图，(g2)清洗区域大小，(g3)未清洗区域大小，(g4)双光束不同角度下清洗后表面的光学图像

图20.脉冲激光在光学基体中的典型应用。(a)K9玻璃表面的二氧化硅颗粒：(a1)清洗后表面形貌，(a2)清洗后表面放大图，(a3)未清洗区域表面形貌；(b)HL-2A托卡马克装置第一面镜子上的沉积层：(b1)原始镜子表面形貌，(b2)等离子体辐照后受污染镜子的表面形貌，(b3) 50次脉冲烧蚀后的镜子形貌；(c)HL-2A托卡马克装置第一面镜子的共沉积层：(c1)完全清洗，(c2)过度清洗，(c3)清洗点边缘的扫描电子镜图；(d)类似于国际热核聚变实验堆（ITER）的铑镜表面沉积物：(d1)基体上的不同残留物，(d2)残留物放大图，(d3)完全清洗，(d4)清洗不彻底后留下的多孔Al/W/O残留物；(e)不锈钢镜面上的Al/W/C/D涂层：(e1)涂层宏观形貌，(e2)涂层的扫描电镜图，(e3)清洗后的扫描电镜图，(e4)激光光斑中心周围的钨尘；(f)铑膜表面积碳：(f1)铑膜表面积碳，(f2)激光清洗后铑膜表面宏观形貌；(g)玻璃表面的二氧化铀颗粒：(g1)清洗前，(g2)清洗后；(h)通过激光清洗制备超亲水、超疏水和超光滑金属表面

图21.激光清洗未来发展趋势

随着科学技术的飞速发展，激光技术越来越多地应用于工业生产和生活的各个领域。激光清洗在文物保护、金属表面处理、半导体行业和光学镜片等方面取得了显著进展，在高端产业的设备领域也受到了重视。因此，对激光的性能有了更高的要求。图21展示了激光清洗未来的发展趋势。激光清洗的未来前景广阔，但仍面临许多挑战：

(1)尚未建立针对不同物体的激光清洗工艺及评价体系。每种污垢的成分、厚度、密度和附着力都不同，需要一套不同的清洗工艺参数来确保其被有效去除。目前，由于缺乏不同材料物理性能的数据以及对复合成分污染状态的了解，难以对激光产生的温度梯度和能量扩散速率进行定量评估。无法准确获取污垢的清洗阈值和基体的损伤阈值。此外，激光参数的微调是清洗成功的关键，而跨学科的在线监测方法是确定最佳结果的关键。

(2)清洗效率过低，激光清洗专用设备亟待突破。传统光纤激光器脉冲能量低、峰值功率低，对于结构复杂的附着物清洗效率低。固态激光器单脉冲能量高，但脉冲重复频率往往不足，导致效率低下。可采用多光源复合光路超长线光斑扫描来满足飞机维修等大型部件高效清洗的要求。利用多台激光器进行分光-合光-整形得到的超长线光斑，能够满足高效清洗的要求，提高被清洗部件复杂表面形貌的适应性。

(3)清洗的智能化和数字化升级。除了提高激光清洗设备的性能外，数字化升级也是提高效率的一个有意义的途径。采用“机器人+同轴、光学相机”的粗精二次定位方法，实现高精度选择性定位。进一步通过主控制系统构建柔性机器人和定位器多轴运动系统，协调控制机器人和扫描振镜，实现从目前的二维清洗向复杂三维表面清洗的拓展。

(4)微观结构激光清洗/蚀刻/抛光等多种精密复合制造技术。随着激光平均功率的不断提高和激光成本的不断下降，激光清洗、抛光和激光蚀刻的混合加工技术将成为主流生产技术。它们在降低耗材成本方面具有显著优势，并且适合自动化生产。激光精细表面制造技术可以对材料表面进行无损微加工，增强材料的各种表面性能。这是未来制造业发展的方向和趋势。

(5)激光热烧蚀机理、激光热应力机理和等离子体冲击波机理可分别表述为蒸发过程、振动过程和冲击过程。激光热烧蚀机理和激光热应力机理是最常见的激光清洗机理。这两种机理的共同特点是脉冲激光束直接照射表面。在等离子体冲击波机理中，激光束与基体表面平行。

(6)激光清洗机理与激光波长密切相关；对于高吸收性介质，激光热烧蚀机理起主导作用。对于低吸收性介质，激光热应力机理起主导作用。

(7)激光清洗在许多工业领域具有独特优势。它可用于去除不同基体材料（如金属材料、非金属材料和半导体元件等）表面的大多数附着物，以及其他应用场景。通过选择合适的激光工艺参数和恰当的激光设备，可以完全避免表面损伤。

(8)在某些情况下，激光清洗无法达到理想的清洗效果。对于复杂或深度腐蚀，可以采用机械和化学清洗方法进行预处理。这有助于提高激光清洗的效果。

论文链接：

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟