01
应用背景
在工业和其他领域中，传统清洗方式如化学清洗、机械打磨等长期占据主导地位。化学清洗易产生大量化学废液，造成环境污染，且对某些精密部件可能存在腐蚀风险；机械打磨虽能去除表面污物，但容易损伤基材，在处理复杂形状构件时效果不佳，还会产生粉尘污染，对操作人员健康构成威胁，且难以满足高精度清洗需求。
随着航空航天、轨道交通、海洋船舶等高端制造业的迅猛发展，对零部件的清洗要求日益严苛。大型复杂构件如航空发动机进气道、高铁车体、船舶舱口盖等，其表面质量直接影响产品性能和服役寿命。这些构件不仅尺寸大、形状复杂，而且对清洗精度、效率和表面完整性要求极高，传统清洗方式已无法满足现代制造业的发展需求。
在全球环保意识不断增强的背景下，制造业面临着减少污染排放、降低资源消耗的压力。激光清洗技术作为一种绿色清洗技术，具有无化学污染、低能耗、非接触式清洗等优点，能够有效解决传统清洗方式带来的环境问题，符合可持续发展战略，在各领域的应用需求日益迫切。
*我国激光清洗技术及装备的发展历程
02
激光清洗技术：机理
激光清洗是一种利用高能量密度的激光束与物质表面相互作用，使污物或涂层等从基底表面剥离或分解，从而实现清洗目的的技术。
激光清洗过程涉及多种物理机制，如热烧蚀、应力振动、热膨胀、蒸发、相爆炸、蒸发压力和等离子体冲击等，这些机制共同作用促使清洗对象与基材分离，达到清洗的效果。
根据清洗介质的不同，激光清洗可分为激光干式清洗、湿式激光清洗、激光冲击波清洗。
激光干式清洗
激光干式清洗是目前应用最广泛的激光清洗方法，其利用激光束直接照射基底表面，使基底产生热膨胀以克服范德华力，从而去除污垢。
*激光干式清洗机理
激光强度：激光能量密度变化显著影响清洗效果，低能量强度下以蒸发和相爆炸为主，高能量密度下蒸发压力、冲击效应也起作用，超高能量会产生等离子体等问题。通常在较低能量密度下清洗以保护基底。
激光波长：波长与材料能量耦合相关，短波长时以光化学烧蚀主导，长波长时以光热烧蚀主导，且波长影响颗粒与基底间的力和温度分布，进而影响清洗力和效率，对不同材料清洗时波长的影响也不同。
脉冲宽度：短脉冲和长脉冲清洗机制不同，长脉冲烧蚀效应强但选择性差，短脉冲可产生较高温度和冲击波来去除污染物且损伤小，超快激光脉冲宽度下为 “冷烧蚀” 机制。
入射角：垂直照射时污染物颗粒会遮挡激光；斜照射可提高清洗效率。
*激光干式清洗机理及关键参数对清洗效果的影响：a)机理 b)波长 c)脉冲宽度 d)入射角 e)正面/背面入射
湿式激光清洗
通过液膜辅助来实现，在待清洗工件表面预置一层液膜，激光直接辐照，液体急剧升温，产生强大的冲击力，从而将基体表面污染物去除。
*湿式激光清洗机理
激光冲击波清洗
激光冲击波清洗技术分为干式激光和混合激光冲击波清洗两类。
干式激光冲击波清洗时，激光聚焦产生等离子体冲击颗粒，可避免直接照射损伤，但会存在盲区，可改变入射角或双光束清洗来改进。
混合激光冲击波清洗包括蒸汽、水下、湿式激光冲击等方式，利用液体相关作用去除污垢，与液体密度等特性有关，应用广泛且优势明显。
*激光冲击波清洗机理：a)干激光冲击波清洗 b)改进的干激光冲击波清洗 b1)单束激光 b2)双束激光 c)湿式激光冲击波清洗
03
航空：钛合金进气道氧化膜
采用纳秒脉冲激光清洗钛合金进气道表面氧化膜效果显著，其低热效应特性可防止基材二次氧化，是较优的清洗方法。
干式清洗机理：
主要机理为激光烧蚀。
当激光能量作用于氧化膜时，表面吸收大量能量，根据能量不同，烧蚀机制改变，表面形成多种形貌结构。
能量较低时，氧化膜部分去除，有少量重熔区域；能量适中，氧化膜去除且损伤可忽略；能量过高，虽能去除氧化膜，但会造成较大基料损伤，表面形成脊状结构。
湿式清洗机理：
在较低能量密度下，清洗机理为激光诱导的冲击波；较高能量密度下，主要是激光烧蚀和相位爆破。清洗过程中钛合金快速冷却和加热形成马氏体钛合金，当能量密度增加到特定值时，表面变为纳米结构的突起表面，此纳米结构对钛合金材料后续应用意义重大。
*航空钛合金进气道表面氧化膜的激光清洗效果与机制：a)钛合金清洗后的表面形貌 b)激光干式清洗钛合金氧化膜主要机理 c)激光湿式清洗钛合金氧化膜的主要机理
04
高铁：铝合金车体表面油漆
油漆厚度与清洗方法：
对于高铁铝合金车体油漆清洗，不同颜色、不同厚度的油漆，合适的激光清洗方法也不同。
薄漆（厚度≤40μm）：选择油漆吸收率较低的波长的激光光源，通过热振动方式去除效果较好；
厚漆：需选择油漆吸收率较高的波长的激光光源，利用烧蚀机制去除。
红色油漆剥离：
红色油漆的主要剥离机制为振动机制。
在清洁过程中，激光能量渗透到基底，基板温升产生的热应力使油漆脱落，整个油漆层可被去除，铝合金表面残留油漆呈现疏松的网状形貌。
蓝色油漆去除：
蓝色油漆在相同激光能量输入下温度高于红色油漆，但基体热应力低于红色油漆。当油漆温度达到沸点时，油漆通过蒸发去除，同时还存在层裂、燃烧、等离子体冲击等耦合机制。
*高铁铝合金车体表面油漆激光清洗效果与机制：a)铝合金清洗后的表面形貌 b)激光干式清洗铝合金表面蓝色/红色油漆的主要机理
05
船舶：高强钢船体表面铁锈
干式清洗除锈
高强钢船体铁锈干式清洗过程中，主要去除机制为氧化膜吸收能量发生气化。表面氧化物气化蒸发时产生向下的反作用力，有助于去除较厚的氧化膜。
液膜辅助式激光除锈
液膜辅助式激光除锈主要机制为液滴吸收能量发生相爆炸，产生冲击力去除锈层。
液膜的爆发性沸腾作用使相爆炸机制对除锈影响增强，能更好去除表面氧化膜，但不易去除埋藏较深的氧化物。
不同锈层去除机制对表面熔融金属流动有影响，相爆炸产生的侧向推力可促进熔融层流动使表面更平坦，气化机制产生的氧化物蒸气会影响液态金属填充凹坑。
*高强钢船体表面铁锈激光清洗：a)高强钢清洗后表面形貌 b)激光干式/湿式清洗高强钢船体表面铁锈主要机理
06
海洋：铝合金表面海洋微生物
激光参数与清洗效果：
窄脉宽、高峰值功率激光对铝合金表面海洋微生物清洗效果较好。
微生物去除机制：
胞外多聚物（EPS）层和藤壶基片的激光去除机制分别为烧蚀气化和冲击波剥离。微生物大分子单链在多光子吸收过程中断裂，分解产生大量原子，经电离后在等离子体冲击与烧蚀机制共同作用下，海洋微生物得以更好去除。
对于有机物如油漆、海洋微生物等，低激光能量密度下光化学作用使其化学键断裂，表现为变质、变色、失去活性等；随着能量密度升高，出现烧蚀、气化、燃烧火焰、等离子体冲击等现象。
而对于氧化膜、铁锈等无机物，低能量密度下无变化，能量升高后出现烧蚀、气化等现象。
*铝合金表面海洋微生物的激光清洗效果与机制
07
文物激光清洗
脉冲激光在文物保护中具有重要应用，可满足文物无损、高精度清洗需求，如石质文物、纸质文物、金属文物等。
*脉冲激光清洗在文物中的典型应用：
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)罗马大理石瓮棺：b1)清洗前 b2) 清洗后；c)希腊雅典卫城帕台农神庙浮雕
纸质文物：d)15世纪油画《基督在彼拉多面前》：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世纪军用金编织物：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世纪非洲藤席：j1)清洗前 j2)清洗后；k)古埃及玻璃器皿：k1)清洗前 k2)清洗后