激光具有优秀的方向性、单色性、相干性和高亮度，可与其他物质发生相互作用，因此也被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。自第一台红宝石激光器成功问世以来，激光技术被认为是20世纪继量子物理学、无线电物理学、原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后的又一重大科学技术新成就。经过半个多世纪的发展，激光技术与多个学科相结合，形成新的技术应用领域，如光电技术、激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术等，这些交叉技术与新的学科的出现，极大地推动了相关产业的发展。
图1 激光示意图
揭秘激光清洗的诞生与超凡优势
激光清洗技术最早的研究可追溯到20世纪60年代。1965年，诺贝尔奖获得者Schawlow用脉冲激光照射油墨印刷的纸张，纸面的墨色字体快速汽化，而纸面本身没有损伤。他第一次提出了“laser eraser”，如图所示。1969年，Bedair等人用调Q激光清除镍表面的氧和硫污染，提出了激光清洗这一概念。1973年，Asmus团队最早报道了激光文物清洗，他们对多种文物进行了激光清洗，包括达芬奇雕像、壁画等。1974年Fox用Q开关钕玻璃激光有效去除树脂和金属基底上的油漆层。20世纪80年代，新技术电子束投影刻蚀在制备掩模版时，掩模版表面不可避免会沾上微粒污染物，导致出现次品，但传统的超声波清洗、机械清洗、化学清洗等技术无法清除微粒污染物。1982年，Zapka等人用聚焦激光照射掩模版，成功将附着污染物清洗掉，而掩模图案没有受到丝毫损伤。由此可见，激光清洗技术的发明主要是为了清洗半导体表面的微小颗粒，其发展与半导体技术的进步相互促进，同时，该技术也在其他领域不断进行着应用探索。
图2 激光擦以及激光清洗示意图
相比于传统工业清洗技术，激光清洗技术具有以下诸多优势：（1）绿色环保：激光清洗过程中消除的废料是固体粉末状的体积小，易于存放，基本上不污染环境。此外，清洗过程中不需要清洁液或其他化学溶液，且清洁度远远高于化学清洗工艺。（2）相比于传统机械接触清洗方法，激光与待洗物没有物理接触，清洗造成的基体损伤小。（3）清洗效率高。（4）激光清洗可实现自动化操作，设备运行成本低，配合机械臂可以实现远程、柔性、精准清洗。（5）清除污染物的范围和适用的基材十分广泛。
图3 激光清洗示意图
光助力，污垢无处藏
激光清洗技术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间受热汽化或剥离，从而实现材料表面清洗。根据激光与待清洗物表面的关系，激光清洗技术的工作类型可分为直接接触和间接接触。
根据不同的作用机理，直接接触可分为三种：（1）脉冲激光直接照射物体表面，利用激光高能量特性实现去污，基体和污染物因吸收激光能量而温度升高，表面污染物对激光的吸收率明显高于基体对激光的吸收率，在激光作用的中心区域，污染物因汽化、烧蚀、光化学、热分解等作用而被去除，在激光作用的边缘区域，污染物因热应力、热冲击和物理断裂而去除。（2）在待清洗物表面预先覆盖一层液膜，激光直接照射，液膜吸收激光能量而急剧升温，产生强大的冲击力，将基体表面污染物去除。（3）短脉冲激光照射基体表面，由于不同材料热膨胀系数不同，因此在短脉冲激光照射下，表面污染物和基体会发生高频次的不同程度的热胀冷缩，产生振荡作用，使污染物从基底表面脱落。
间接接触的激光清洗方式不与待清洗表面直接接触，激光以平行于表面的方向发射，经透镜聚焦后，高能量使得气体被击穿，形成激光等离子体，等离子体在迅速膨胀的过程中与污染物接触，产生的冲击力使污染物从表面脱离。该方法清洗对象为亚微米级或纳米级微粒，且对工艺要求非常严格，既要保证能电离空气，又要使激光与基体表面之间保持合适的距离，以确保作用在微粒上的冲击力足够大。
图4 激光清洗技术原理图
目前，激光清洗技术在微电子、轨道交通、航空、船舶、汽车等众多制造领域都有应用，典型应用主要包括除微粒污染物、除锈、除漆、除油污、除氧化膜等，并呈现多元化发展趋势，在文物清洗和保护领域也获得了有效尝试和成功应用。
（1）激光除锈：金属物体长期暴露在潮湿的空气中容易产生锈蚀层。锈蚀层的存在不仅影响使用性能，加速腐蚀，而且对使用安全性和寿命产生严重的影响。传统除锈的方法有喷丸和化学清洗法，这两种方法效率较高、技术成熟，但是会对环境造成污染，且有害操作者健康，因此激光清洗法得到广泛关注，其绿色环保、高效率、高精度、成本低，可以代替常规清洗方法，已在工业中逐步有了应用。
图5 激光除锈应用
（2）激光脱漆：船舶、飞机、桥梁等大型设备都需要定期重新涂装，重新涂装前，需要先去除老化破损的油漆，这个过程称为除漆。在除漆的过程中，既要将老化的油漆去除干净，又不能损伤基底，而传统的除漆方法普遍存在效率低、耗能高、漆层去除厚度精度不足、表面均匀性差等缺点，不能满足漆层的可控清除要求。相较于传统除漆技术，激光清洗技术绿色安全环保，对基底损伤小，效率高，且激光定位准确，适用于飞机船舶等复杂形状的结构件。
图6 激光脱漆应用
（3）激光清洗电子元器件：电子元器件上的微小污染物会降低电子效率，引起电子线路板损坏。随着科技发展，半导体、微电子设备越来越小，需要清洗的微粒也越来越小，清洗难度增大，传统的水洗和超声波清洗无法达到如此高精度的清洗效果，于是激光清洗带来新的希望，成为最佳清洗方法。激光在电子元器件清洗中的应用很多，比如电子线路板、硅片、集成电路、软性电路、光电器件等。这些器件随着科技的发展，集成度提高，针脚越来越多，孔越来越小，传统的清洗方法难以奏效，激光清洗因为高精准性、易于自动化作业、参数可调、清洗效率高等优点，能有效去除电子元器件表面的灰尘、油脂、氧化物等微粒，有效提高电子元器件的耐久性。聚酰亚胺薄膜是电子元器件中重要的材料，它是高速度、高密度电子元件多层封装薄膜内部链接结构的介电材料，但它上面经常会覆盖一些微粒污染物，包括钛粒子、铬粒子、钨粒子、镍粒子等，需要清洗这些污染物，以确保聚酰亚胺薄膜正常工作。
图7 激光清洗电子元器件
（4）激光清洗文物：文物表面往往覆盖着土壤污染物、腐蚀产物、灰尘、有机污渍和结壳，这些污染物会改变文物的化学性质，且会影响外观，因此需要对受到污染的文物进行清洗。由于文物的珍贵性和不可再生性，对清洗技术的要求很高。传统的文物清洗方法主要有化学法、机械法，均会对文物本体造成一定程度的损伤。因此，文物激光清洗技术具有对象可选择性、环境友好、非接触性、可控性强等独特优势，逐渐成为文物清洗、修复与保护的重要手段之一。
图8 激光清洗文物
（5）其他方面：以往在医疗领域中，人们经常使用化学药剂来清洗患者的纹身，但是，这种方法不仅不能彻底清除掉皮肤上的色素，而且会损害皮肤的健康，甚至还会留下疤痕或产生炎症。但采用激光清洗技术对患者的纹身进行清洗时，激光只会对皮肤表面产生轻微的烧灼作用，并不会对患者的皮肤造成严重伤害，皮肤内部的色素微粒将被激光传送的能量粉碎，然后通过细胞自身的代谢过程可被完全分解，如图所示。激光清洗的范围还在不断扩大，目前已用于海面泄露石油、发动机积碳、城市涂鸦、牙齿、生物战剂、毒剂等。
图9 激光清洗技术其他应用
穿越光线的“眼睛”监测激光清洗
进入21世纪，激光清洗研究得到了蓬勃发展，从最初的清洗是否有效、与传统清洗技术 (机械清洗、化学清洗) 的比较，到激光参数 (波长、能量、脉冲数、入射角度等) 对清洗效果的影响、采用多种检测方法（椭偏仪、俄歇电子能谱、光谱等）评判清洗效果和清洗机理的成因分析，科学家们都做了大量的研究，并得到了有用的结论。由以上介绍可知，激光清洗的效果已经得到认可，在微电子领域、文物保护领域中的研究相对较多，同时，尝试了多种清洗对象，基底材料有金属、光学玻璃、复合材料等，污染物有颗粒、油漆、氧化层等。所采用的激光器除了准分子、CO2、Nd:YAG 激光器外，光纤激光器的使用也增多了。
激光清洗前后和清洗过程中，可以通过各种监控手段判断清洗效果和清洗进程。文物的激光清洗监控开展得最早，此后其他清洗也逐步引入。监测激光清洗效果和效率的常用监测技术有成像技术、光谱技术等。成像技术可以通过直接观测、照相、光学显微镜、电子显微镜等。光谱技术通过分析吸收光谱、反射光谱、傅里叶红外光谱、激光诱导等离子谱等，可以得到清洗对象在清洗前后的成分以及清洗过程中的成分变化。也可以通过测量物体表面信息，知道清洗效果，例如电磁顺磁共振技术、硬度计、粒度计等。监控包括监测和控制。监测的目的是确定清洗进程和判断清洗效果，而控制则是根据监测结果控制清洗参数和清洗过程，保证良好的清洗效果。检测可以分为离线监测和在线监测。前者是在清洗结束后对样品进行检测，后者结合控制系统，在清洗过程中进行监测，通过检测相关参数，判断清洗效果。在线检测需要根据在线测量结果进行数据处理、分析和判断，进而控制激光清洗过程，相比于离线监测，在线监测要求更高，难度更大。未来，基于在线检测系统的智能控制将会是主流研究方向。
总结与展望
随着人们对绿色环保、高精度和高效率清洗要求的提高，激光清洗技术的研发应用也得到了越来越广泛的关注。目前，激光清洗技术已在微电子、轨道交通、航空、文物修复等领域获得了应用，但要进一步提高其应用的场景、规模和效果，则仍面临了许多挑战，包括：（1）激光清洗作用机理还需完善，亟需建立完善的激光清洗理论模型，增强激光清洗的模拟效果；（2）实时监测评估智能化系统有待加强。当前激光清洗设备功能较为单一，智能化程度不足，可以进一步将激光系统与识别定位、在线监测及机器人等自动化系统进行联动，提高清洁效率；（3）混合清洗相关的研发和应用亟需加强，由于清洗物表面情况复杂，影响激光清洗效果的因素众多，因此实现工程化使用普适性强的混合清洗工艺，有利于实现复合清洗以及效率、效果和成本三者间的平衡。总而言之，激光清洗技术的发展前景十分广阔，在未来将在更多领域获得应用，并且随着技术的进步和市场份额的扩大，其规模化和产业化程度将得到进一步提升。
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来自： 激光评论
