激光具有優(you) 秀的方向性、單色性、相幹性和高亮度，可與(yu) 其他物質發生相互作用，因此也被稱為(wei) “最快的刀”、“最準的尺”和“最亮的光”。自第一台紅寶石激光器成功問世以來，激光技術被認為(wei) 是20世紀繼量子物理學、無線電物理學、原子能技術、半導體(ti) 技術、電子計算機技術之後的又一重大科學技術新成就。經過半個(ge) 多世紀的發展，激光技術與(yu) 多個(ge) 學科相結合，形成新的技術應用領域，如光電技術、激光醫療與(yu) 光子生物學、激光加工技術、激光檢測與(yu) 計量技術等，這些交叉技術與(yu) 新的學科的出現，極大地推動了相關(guan) 產(chan) 業(ye) 的發展。

圖1 激光示意圖

揭秘激光清洗的誕生與(yu) 超凡優(you) 勢

激光清洗技術最早的研究可追溯到20世紀60年代。1965年，諾貝爾獎獲得者Schawlow用脈衝(chong) 激光照射油墨印刷的紙張，紙麵的墨色字體(ti) 快速汽化，而紙麵本身沒有損傷(shang) 。他第一次提出了“laser eraser”，如圖所示。1969年，Bedair等人用調Q激光清除鎳表麵的氧和硫汙染，提出了激光清洗這一概念。1973年，Asmus團隊最早報道了激光文物清洗，他們(men) 對多種文物進行了激光清洗，包括達芬奇雕像、壁畫等。1974年Fox用Q開關(guan) 釹玻璃激光有效去除樹脂和金屬基底上的油漆層。20世紀80年代，新技術電子束投影刻蝕在製備掩模版時，掩模版表麵不可避免會(hui) 沾上微粒汙染物，導致出現次品，但傳(chuan) 統的超聲波清洗、機械清洗、化學清洗等技術無法清除微粒汙染物。1982年，Zapka等人用聚焦激光照射掩模版，成功將附著汙染物清洗掉，而掩模圖案沒有受到絲(si) 毫損傷(shang) 。由此可見，激光清洗技術的發明主要是為(wei) 了清洗半導體(ti) 表麵的微小顆粒，其發展與(yu) 半導體(ti) 技術的進步相互促進，同時，該技術也在其他領域不斷進行著應用探索。

圖2 激光擦以及激光清洗示意圖

相比於(yu) 傳(chuan) 統工業(ye) 清洗技術，激光清洗技術具有以下諸多優(you) 勢：（1）綠色環保：激光清洗過程中消除的廢料是固體(ti) 粉末狀的體(ti) 積小，易於(yu) 存放，基本上不汙染環境。此外，清洗過程中不需要清潔液或其他化學溶液，且清潔度遠遠高於(yu) 化學清洗工藝。（2）相比於(yu) 傳(chuan) 統機械接觸清洗方法，激光與(yu) 待洗物沒有物理接觸，清洗造成的基體(ti) 損傷(shang) 小。（3）清洗效率高。（4）激光清洗可實現自動化操作，設備運行成本低，配合機械臂可以實現遠程、柔性、精準清洗。（5）清除汙染物的範圍和適用的基材十分廣泛。

圖3 激光清洗示意圖

光助力，汙垢無處藏

激光清洗技術的基本工作原理是利用激光作用在待清洗物表麵，使得待清洗物表麵的汙染物瞬間受熱汽化或剝離，從(cong) 而實現材料表麵清洗。根據激光與(yu) 待清洗物表麵的關(guan) 係，激光清洗技術的工作類型可分為(wei) 直接接觸和間接接觸。

根據不同的作用機理，直接接觸可分為(wei) 三種：（1）脈衝(chong) 激光直接照射物體(ti) 表麵，利用激光高能量特性實現去汙，基體(ti) 和汙染物因吸收激光能量而溫度升高，表麵汙染物對激光的吸收率明顯高於(yu) 基體(ti) 對激光的吸收率，在激光作用的中心區域，汙染物因汽化、燒蝕、光化學、熱分解等作用而被去除，在激光作用的邊緣區域，汙染物因熱應力、熱衝(chong) 擊和物理斷裂而去除。（2）在待清洗物表麵預先覆蓋一層液膜，激光直接照射，液膜吸收激光能量而急劇升溫，產(chan) 生強大的衝(chong) 擊力，將基體(ti) 表麵汙染物去除。（3）短脈衝(chong) 激光照射基體(ti) 表麵，由於(yu) 不同材料熱膨脹係數不同，因此在短脈衝(chong) 激光照射下，表麵汙染物和基體(ti) 會(hui) 發生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產(chan) 生振蕩作用，使汙染物從(cong) 基底表麵脫落。

間接接觸的激光清洗方式不與(yu) 待清洗表麵直接接觸，激光以平行於(yu) 表麵的方向發射，經透鏡聚焦後，高能量使得氣體(ti) 被擊穿，形成激光等離子體(ti) ，等離子體(ti) 在迅速膨脹的過程中與(yu) 汙染物接觸，產(chan) 生的衝(chong) 擊力使汙染物從(cong) 表麵脫離。該方法清洗對象為(wei) 亞(ya) 微米級或納米級微粒，且對工藝要求非常嚴(yan) 格，既要保證能電離空氣，又要使激光與(yu) 基體(ti) 表麵之間保持合適的距離，以確保作用在微粒上的衝(chong) 擊力足夠大。

圖4 激光清洗技術原理圖

目前，激光清洗技術在微電子、軌道交通、航空、船舶、汽車等眾(zhong) 多製造領域都有應用，典型應用主要包括除微粒汙染物、除鏽、除漆、除油汙、除氧化膜等，並呈現多元化發展趨勢，在文物清洗和保護領域也獲得了有效嚐試和成功應用。

（1）激光除鏽：金屬物體(ti) 長期暴露在潮濕的空氣中容易產(chan) 生鏽蝕層。鏽蝕層的存在不僅(jin) 影響使用性能，加速腐蝕，而且對使用安全性和壽命產(chan) 生嚴(yan) 重的影響。傳(chuan) 統除鏽的方法有噴丸和化學清洗法，這兩(liang) 種方法效率較高、技術成熟，但是會(hui) 對環境造成汙染，且有害操作者健康，因此激光清洗法得到廣泛關(guan) 注，其綠色環保、高效率、高精度、成本低，可以代替常規清洗方法，已在工業(ye) 中逐步有了應用。

圖5 激光除鏽應用

（2）激光脫漆：船舶、飛機、橋梁等大型設備都需要定期重新塗裝，重新塗裝前，需要先去除老化破損的油漆，這個(ge) 過程稱為(wei) 除漆。在除漆的過程中，既要將老化的油漆去除幹淨，又不能損傷(shang) 基底，而傳(chuan) 統的除漆方法普遍存在效率低、耗能高、漆層去除厚度精度不足、表麵均勻性差等缺點，不能滿足漆層的可控清除要求。相較於(yu) 傳(chuan) 統除漆技術，激光清洗技術綠色安全環保，對基底損傷(shang) 小，效率高，且激光定位準確，適用於(yu) 飛機船舶等複雜形狀的結構件。

圖6 激光脫漆應用

（3）激光清洗電子元器件：電子元器件上的微小汙染物會(hui) 降低電子效率，引起電子線路板損壞。隨著科技發展，半導體(ti) 、微電子設備越來越小，需要清洗的微粒也越來越小，清洗難度增大，傳(chuan) 統的水洗和超聲波清洗無法達到如此高精度的清洗效果，於(yu) 是激光清洗帶來新的希望，成為(wei) 最佳清洗方法。激光在電子元器件清洗中的應用很多，比如電子線路板、矽片、集成電路、軟性電路、光電器件等。這些器件隨著科技的發展，集成度提高，針腳越來越多，孔越來越小，傳(chuan) 統的清洗方法難以奏效，激光清洗因為(wei) 高精準性、易於(yu) 自動化作業(ye) 、參數可調、清洗效率高等優(you) 點，能有效去除電子元器件表麵的灰塵、油脂、氧化物等微粒，有效提高電子元器件的耐久性。聚酰亞(ya) 胺薄膜是電子元器件中重要的材料，它是高速度、高密度電子元件多層封裝薄膜內(nei) 部鏈接結構的介電材料，但它上麵經常會(hui) 覆蓋一些微粒汙染物，包括鈦粒子、鉻粒子、鎢粒子、鎳粒子等，需要清洗這些汙染物，以確保聚酰亞(ya) 胺薄膜正常工作。

圖7 激光清洗電子元器件

（4）激光清洗文物：文物表麵往往覆蓋著土壤汙染物、腐蝕產(chan) 物、灰塵、有機汙漬和結殼，這些汙染物會(hui) 改變文物的化學性質，且會(hui) 影響外觀，因此需要對受到汙染的文物進行清洗。由於(yu) 文物的珍貴性和不可再生性，對清洗技術的要求很高。傳(chuan) 統的文物清洗方法主要有化學法、機械法，均會(hui) 對文物本體(ti) 造成一定程度的損傷(shang) 。因此，文物激光清洗技術具有對象可選擇性、環境友好、非接觸性、可控性強等獨特優(you) 勢，逐漸成為(wei) 文物清洗、修複與(yu) 保護的重要手段之一。

圖8 激光清洗文物

（5）其他方麵：以往在醫療領域中，人們(men) 經常使用化學藥劑來清洗患者的紋身，但是，這種方法不僅(jin) 不能徹底清除掉皮膚上的色素，而且會(hui) 損害皮膚的健康，甚至還會(hui) 留下疤痕或產(chan) 生炎症。但采用激光清洗技術對患者的紋身進行清洗時，激光隻會(hui) 對皮膚表麵產(chan) 生輕微的燒灼作用，並不會(hui) 對患者的皮膚造成嚴(yan) 重傷(shang) 害，皮膚內(nei) 部的色素微粒將被激光傳(chuan) 送的能量粉碎，然後通過細胞自身的代謝過程可被完全分解，如圖所示。激光清洗的範圍還在不斷擴大，目前已用於(yu) 海麵泄露石油、發動機積碳、城市塗鴉、牙齒、生物戰劑、毒劑等。

圖9 激光清洗技術其他應用

穿越光線的“眼睛”監測激光清洗

進入21世紀，激光清洗研究得到了蓬勃發展，從(cong) 最初的清洗是否有效、與(yu) 傳(chuan) 統清洗技術 (機械清洗、化學清洗) 的比較，到激光參數 (波長、能量、脈衝(chong) 數、入射角度等) 對清洗效果的影響、采用多種檢測方法（橢偏儀(yi) 、俄歇電子能譜、光譜等）評判清洗效果和清洗機理的成因分析，科學家們(men) 都做了大量的研究，並得到了有用的結論。由以上介紹可知，激光清洗的效果已經得到認可，在微電子領域、文物保護領域中的研究相對較多，同時，嚐試了多種清洗對象，基底材料有金屬、光學玻璃、複合材料等，汙染物有顆粒、油漆、氧化層等。所采用的激光器除了準分子、CO2、Nd:YAG 激光器外，光纖激光器的使用也增多了。

激光清洗前後和清洗過程中，可以通過各種監控手段判斷清洗效果和清洗進程。文物的激光清洗監控開展得最早，此後其他清洗也逐步引入。監測激光清洗效果和效率的常用監測技術有成像技術、光譜技術等。成像技術可以通過直接觀測、照相、光學顯微鏡、電子顯微鏡等。光譜技術通過分析吸收光譜、反射光譜、傅裏葉紅外光譜、激光誘導等離子譜等，可以得到清洗對象在清洗前後的成分以及清洗過程中的成分變化。也可以通過測量物體(ti) 表麵信息，知道清洗效果，例如電磁順磁共振技術、硬度計、粒度計等。監控包括監測和控製。監測的目的是確定清洗進程和判斷清洗效果，而控製則是根據監測結果控製清洗參數和清洗過程，保證良好的清洗效果。檢測可以分為(wei) 離線監測和在線監測。前者是在清洗結束後對樣品進行檢測，後者結合控製係統，在清洗過程中進行監測，通過檢測相關(guan) 參數，判斷清洗效果。在線檢測需要根據在線測量結果進行數據處理、分析和判斷，進而控製激光清洗過程，相比於(yu) 離線監測，在線監測要求更高，難度更大。未來，基於(yu) 在線檢測係統的智能控製將會(hui) 是主流研究方向。

總結與(yu) 展望

隨著人們(men) 對綠色環保、高精度和高效率清洗要求的提高，激光清洗技術的研發應用也得到了越來越廣泛的關(guan) 注。目前，激光清洗技術已在微電子、軌道交通、航空、文物修複等領域獲得了應用，但要進一步提高其應用的場景、規模和效果，則仍麵臨(lin) 了許多挑戰，包括：（1）激光清洗作用機理還需完善，亟需建立完善的激光清洗理論模型，增強激光清洗的模擬效果；（2）實時監測評估智能化係統有待加強。當前激光清洗設備功能較為(wei) 單一，智能化程度不足，可以進一步將激光係統與(yu) 識別定位、在線監測及機器人等自動化係統進行聯動，提高清潔效率；（3）混合清洗相關(guan) 的研發和應用亟需加強，由於(yu) 清洗物表麵情況複雜，影響激光清洗效果的因素眾(zhong) 多，因此實現工程化使用普適性強的混合清洗工藝，有利於(yu) 實現複合清洗以及效率、效果和成本三者間的平衡。總而言之，激光清洗技術的發展前景十分廣闊，在未來將在更多領域獲得應用，並且隨著技術的進步和市場份額的擴大，其規模化和產(chan) 業(ye) 化程度將得到進一步提升。

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