激光具有優(yōu)秀的方向性、單色性、相干性和高亮度，可與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，因此也被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”和“最亮的光”。自第一臺紅寶石激光器成功問世以來，激光技術(shù)被認為是20世紀繼量子物理學(xué)、無線電物理學(xué)、原子能技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子計算機技術(shù)之后的又一重大科學(xué)技術(shù)新成就。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，激光技術(shù)與多個學(xué)科相結(jié)合，形成新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，如光電技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工技術(shù)、激光檢測與計量技術(shù)等，這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，極大地推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖1 激光示意圖

揭秘激光清洗的誕生與超凡優(yōu)勢

激光清洗技術(shù)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用脈沖激光照射油墨印刷的紙張，紙面的墨色字體快速汽化，而紙面本身沒有損傷。他第一次提出了“l(fā)aser eraser”，如圖所示。1969年，Bedair等人用調(diào)Q激光清除鎳表面的氧和硫污染，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(guān)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(shù)電子束投影刻蝕在制備掩模版時，掩模版表面不可避免會沾上微粒污染物，導(dǎo)致出現(xiàn)次品，但傳統(tǒng)的超聲波清洗、機械清洗、化學(xué)清洗等技術(shù)無法清除微粒污染物。1982年，Zapka等人用聚焦激光照射掩模版，成功將附著污染物清洗掉，而掩模圖案沒有受到絲毫損傷。由此可見，激光清洗技術(shù)的發(fā)明主要是為了清洗半導(dǎo)體表面的微小顆粒，其發(fā)展與半導(dǎo)體技術(shù)的進步相互促進，同時，該技術(shù)也在其他領(lǐng)域不斷進行著應(yīng)用探索。

圖2 激光擦以及激光清洗示意圖

相比于傳統(tǒng)工業(yè)清洗技術(shù)，激光清洗技術(shù)具有以下諸多優(yōu)勢：（1）綠色環(huán)保：激光清洗過程中消除的廢料是固體粉末狀的體積小，易于存放，基本上不污染環(huán)境。此外，清洗過程中不需要清潔液或其他化學(xué)溶液，且清潔度遠遠高于化學(xué)清洗工藝。（2）相比于傳統(tǒng)機械接觸清洗方法，激光與待洗物沒有物理接觸，清洗造成的基體損傷小。（3）清洗效率高。（4）激光清洗可實現(xiàn)自動化操作，設(shè)備運行成本低，配合機械臂可以實現(xiàn)遠程、柔性、精準(zhǔn)清洗。（5）清除污染物的范圍和適用的基材十分廣泛。

圖3 激光清洗示意圖

光助力，污垢無處藏

激光清洗技術(shù)的基本工作原理是利用激光作用在待清洗物表面，使得待清洗物表面的污染物瞬間受熱汽化或剝離，從而實現(xiàn)材料表面清洗。根據(jù)激光與待清洗物表面的關(guān)系，激光清洗技術(shù)的工作類型可分為直接接觸和間接接觸。

根據(jù)不同的作用機理，直接接觸可分為三種：（1）脈沖激光直接照射物體表面，利用激光高能量特性實現(xiàn)去污，基體和污染物因吸收激光能量而溫度升高，表面污染物對激光的吸收率明顯高于基體對激光的吸收率，在激光作用的中心區(qū)域，污染物因汽化、燒蝕、光化學(xué)、熱分解等作用而被去除，在激光作用的邊緣區(qū)域，污染物因熱應(yīng)力、熱沖擊和物理斷裂而去除。（2）在待清洗物表面預(yù)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(chǎn)生強大的沖擊力，將基體表面污染物去除。（3）短脈沖激光照射基體表面，由于不同材料熱膨脹系數(shù)不同，因此在短脈沖激光照射下，表面污染物和基體會發(fā)生高頻次的不同程度的熱脹冷縮，產(chǎn)生振蕩作用，使污染物從基底表面脫落。

間接接觸的激光清洗方式不與待清洗表面直接接觸，激光以平行于表面的方向發(fā)射，經(jīng)透鏡聚焦后，高能量使得氣體被擊穿，形成激光等離子體，等離子體在迅速膨脹的過程中與污染物接觸，產(chǎn)生的沖擊力使污染物從表面脫離。該方法清洗對象為亞微米級或納米級微粒，且對工藝要求非常嚴格，既要保證能電離空氣，又要使激光與基體表面之間保持合適的距離，以確保作用在微粒上的沖擊力足夠大。

圖4 激光清洗技術(shù)原理圖

目前，激光清洗技術(shù)在微電子、軌道交通、航空、船舶、汽車等眾多制造領(lǐng)域都有應(yīng)用，典型應(yīng)用主要包括除微粒污染物、除銹、除漆、除油污、除氧化膜等，并呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢，在文物清洗和保護領(lǐng)域也獲得了有效嘗試和成功應(yīng)用。

（1）激光除銹：金屬物體長期暴露在潮濕的空氣中容易產(chǎn)生銹蝕層。銹蝕層的存在不僅影響使用性能，加速腐蝕，而且對使用安全性和壽命產(chǎn)生嚴重的影響。傳統(tǒng)除銹的方法有噴丸和化學(xué)清洗法，這兩種方法效率較高、技術(shù)成熟，但是會對環(huán)境造成污染，且有害操作者健康，因此激光清洗法得到廣泛關(guān)注，其綠色環(huán)保、高效率、高精度、成本低，可以代替常規(guī)清洗方法，已在工業(yè)中逐步有了應(yīng)用。

圖5 激光除銹應(yīng)用

（2）激光脫漆：船舶、飛機、橋梁等大型設(shè)備都需要定期重新涂裝，重新涂裝前，需要先去除老化破損的油漆，這個過程稱為除漆。在除漆的過程中，既要將老化的油漆去除干凈，又不能損傷基底，而傳統(tǒng)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、表面均勻性差等缺點，不能滿足漆層的可控清除要求。相較于傳統(tǒng)除漆技術(shù)，激光清洗技術(shù)綠色安全環(huán)保，對基底損傷小，效率高，且激光定位準(zhǔn)確，適用于飛機船舶等復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件。

圖6 激光脫漆應(yīng)用

（3）激光清洗電子元器件：電子元器件上的微小污染物會降低電子效率，引起電子線路板損壞。隨著科技發(fā)展，半導(dǎo)體、微電子設(shè)備越來越小，需要清洗的微粒也越來越小，清洗難度增大，傳統(tǒng)的水洗和超聲波清洗無法達到如此高精度的清洗效果，于是激光清洗帶來新的希望，成為最佳清洗方法。激光在電子元器件清洗中的應(yīng)用很多，比如電子線路板、硅片、集成電路、軟性電路、光電器件等。這些器件隨著科技的發(fā)展，集成度提高，針腳越來越多，孔越來越小，傳統(tǒng)的清洗方法難以奏效，激光清洗因為高精準(zhǔn)性、易于自動化作業(yè)、參數(shù)可調(diào)、清洗效率高等優(yōu)點，能有效去除電子元器件表面的灰塵、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(nèi)部鏈接結(jié)構(gòu)的介電材料，但它上面經(jīng)常會覆蓋一些微粒污染物，包括鈦粒子、鉻粒子、鎢粒子、鎳粒子等，需要清洗這些污染物，以確保聚酰亞胺薄膜正常工作。

圖7 激光清洗電子元器件

（4）激光清洗文物：文物表面往往覆蓋著土壤污染物、腐蝕產(chǎn)物、灰塵、有機污漬和結(jié)殼，這些污染物會改變文物的化學(xué)性質(zhì)，且會影響外觀，因此需要對受到污染的文物進行清洗。由于文物的珍貴性和不可再生性，對清洗技術(shù)的要求很高。傳統(tǒng)的文物清洗方法主要有化學(xué)法、機械法，均會對文物本體造成一定程度的損傷。因此，文物激光清洗技術(shù)具有對象可選擇性、環(huán)境友好、非接觸性、可控性強等獨特優(yōu)勢，逐漸成為文物清洗、修復(fù)與保護的重要手段之一。

圖8 激光清洗文物

（5）其他方面：以往在醫(yī)療領(lǐng)域中，人們經(jīng)常使用化學(xué)藥劑來清洗患者的紋身，但是，這種方法不僅不能徹底清除掉皮膚上的色素，而且會損害皮膚的健康，甚至還會留下疤痕或產(chǎn)生炎癥。但采用激光清洗技術(shù)對患者的紋身進行清洗時，激光只會對皮膚表面產(chǎn)生輕微的燒灼作用，并不會對患者的皮膚造成嚴重傷害，皮膚內(nèi)部的色素微粒將被激光傳送的能量粉碎，然后通過細胞自身的代謝過程可被完全分解，如圖所示。激光清洗的范圍還在不斷擴大，目前已用于海面泄露石油、發(fā)動機積碳、城市涂鴉、牙齒、生物戰(zhàn)劑、毒劑等。

圖9 激光清洗技術(shù)其他應(yīng)用

穿越光線的“眼睛”監(jiān)測激光清洗

進入21世紀，激光清洗研究得到了蓬勃發(fā)展，從最初的清洗是否有效、與傳統(tǒng)清洗技術(shù) (機械清洗、化學(xué)清洗) 的比較，到激光參數(shù) (波長、能量、脈沖數(shù)、入射角度等) 對清洗效果的影響、采用多種檢測方法（橢偏儀、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(xué)家們都做了大量的研究，并得到了有用的結(jié)論。由以上介紹可知，激光清洗的效果已經(jīng)得到認可，在微電子領(lǐng)域、文物保護領(lǐng)域中的研究相對較多，同時，嘗試了多種清洗對象，基底材料有金屬、光學(xué)玻璃、復(fù)合材料等，污染物有顆粒、油漆、氧化層等。所采用的激光器除了準(zhǔn)分子、CO2、Nd:YAG 激光器外，光纖激光器的使用也增多了。

激光清洗前后和清洗過程中，可以通過各種監(jiān)控手段判斷清洗效果和清洗進程。文物的激光清洗監(jiān)控開展得最早，此后其他清洗也逐步引入。監(jiān)測激光清洗效果和效率的常用監(jiān)測技術(shù)有成像技術(shù)、光譜技術(shù)等。成像技術(shù)可以通過直接觀測、照相、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等。光譜技術(shù)通過分析吸收光譜、反射光譜、傅里葉紅外光譜、激光誘導(dǎo)等離子譜等，可以得到清洗對象在清洗前后的成分以及清洗過程中的成分變化。也可以通過測量物體表面信息，知道清洗效果，例如電磁順磁共振技術(shù)、硬度計、粒度計等。監(jiān)控包括監(jiān)測和控制。監(jiān)測的目的是確定清洗進程和判斷清洗效果，而控制則是根據(jù)監(jiān)測結(jié)果控制清洗參數(shù)和清洗過程，保證良好的清洗效果。檢測可以分為離線監(jiān)測和在線監(jiān)測。前者是在清洗結(jié)束后對樣品進行檢測，后者結(jié)合控制系統(tǒng)，在清洗過程中進行監(jiān)測，通過檢測相關(guān)參數(shù)，判斷清洗效果。在線檢測需要根據(jù)在線測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理、分析和判斷，進而控制激光清洗過程，相比于離線監(jiān)測，在線監(jiān)測要求更高，難度更大。未來，基于在線檢測系統(tǒng)的智能控制將會是主流研究方向。

總結(jié)與展望

隨著人們對綠色環(huán)保、高精度和高效率清洗要求的提高，激光清洗技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用也得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前，激光清洗技術(shù)已在微電子、軌道交通、航空、文物修復(fù)等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，但要進一步提高其應(yīng)用的場景、規(guī)模和效果，則仍面臨了許多挑戰(zhàn)，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(jiān)測評估智能化系統(tǒng)有待加強。當(dāng)前激光清洗設(shè)備功能較為單一，智能化程度不足，可以進一步將激光系統(tǒng)與識別定位、在線監(jiān)測及機器人等自動化系統(tǒng)進行聯(lián)動，提高清潔效率；（3）混合清洗相關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用亟需加強，由于清洗物表面情況復(fù)雜，影響激光清洗效果的因素眾多，因此實現(xiàn)工程化使用普適性強的混合清洗工藝，有利于實現(xiàn)復(fù)合清洗以及效率、效果和成本三者間的平衡?？偠灾す馇逑醇夹g(shù)的發(fā)展前景十分廣闊，在未來將在更多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并且隨著技術(shù)的進步和市場份額的擴大，其規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化程度將得到進一步提升。

參考文獻：

[1] Zhou K, Sang S G, Wang C Y, et al. Principle, application and development trend of laser cleaning, Journal of Physics, 2383(1): 12075 (2022).

[2] 王澤敏，曾曉雁，黃維玲，激光清洗工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與展望，激光技術(shù), 2000。

[3] 宋峰，劉淑靜，牛孔貞等，激光清洗原理與應(yīng)用研究，清洗世界，2005。

[4] 吳東江，許媛，王續(xù)躍等，激光清洗硅片表面Al2O3顆粒的試驗和理論分析，光學(xué)精密工程，2006。

[5] 張?zhí)靹偅铌?，鄒俊豪等，民機鋁合金蒙皮表面漆層激光清洗仿真與實驗研究，中國激光, 2024。

[6] Zhao H C, Qiao Y L, Du X, et al. Laser cleaning performance and mechanism in stripping of polyacrylate resin paint, Applied Physics A, 126(5): 1-14 (2020).

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