当我们提到清洁技术时，脑海中浮现的往往是日常生活中使用的各式清洁剂和工具。然而，传统的清洁方法往往会在一定程度上磨损或损害被清洁的对象。随着科技的进步和对精度需求的不断提升，清洁技术早已超越了基础层面，特别是在需要高度精确度和保护性的场合。例如，珍贵的文物不能承受粗暴的处理，而精密金属表面需要精细的维护，微小的器件则需要特别温和且有效的清洁方法。在这种背景下，激光清洗技术应运而生，成为一种新兴的、高效的环保清洗技术。
早在1965年，诺贝尔奖得主查尔斯·H·汤斯（Charles H. Townes）就展示了使用脉冲激光来清洁一张带有油墨字迹的纸张，纸上的油墨迅速蒸发而纸张本身未受损。自此之后，激光清洗技术逐步发展，例如1973年阿斯姆斯团队首次报告了激光用于文物清洁的研究，1974年福克斯利用Q开关钕玻璃激光成功去除了树脂玻璃和金属表面上的油漆，再到1982年IBM的研究人员使用聚焦激光清洁了掩模版上的微粒污染物。经过数十年的发展，激光清洗技术已经变得非常成熟，成为了表面净化领域的“黑科技”。
图：清光清洗原理
激光清洗的基本原理
激光清洗利用高能激光束照射物体表面，通过光学和热学效应使杂质或污染物迅速蒸发或剥离。核心在于使用具有高脉冲能量、高平均功率和高峰值功率的脉冲激光器。与连续激光相比，高功率脉冲激光能在极短时间内产生高温，但由于作用时间极短，不会对基底材料造成显著的热影响。这种激光可以精确控制脉冲能量和频率，以适应不同的材料和应用场景。
图：连续激光与脉冲激光
激光清洗的作用机理
激光清洗过程中，激光束照射到物体表面时，污染物吸收激光能量并经历一系列复杂的物理化学变化，包括蒸发、分解、剥离等。根据污染物的不同性质，激光清洗可以分为两个主要机制：
1.激光烧蚀作用机制：在高功率密度下（大于10^8 W/cm^2），激光能量可以使污染物发生塑性变形并产生爆炸性应力；更高功率密度（大于10^9 W/cm^2）下，污染物会气化或产生等离子体爆炸冲击波，加速污染物从基材表面的分离。
图：激光烧蚀作用机制示意
2.热弹性膨胀剥离机制：激光照射使污染物和基底材料同时发生热膨胀，产生的脱离应力有助于清除表面物质。在低能量水平下，污染物可能会通过机械断裂、振动破碎等方式被去除，而不是直接烧蚀。此外，脉冲激光还能产生等离子体冲击波，有助于去除表面污染物。
图：热弹性膨胀剥离机制示意图
典型应用
1.激光清洗电子元器件：半导体行业的掩模表面微粒污染是一个挑战。激光清洗技术提供了一种高效且不会损伤元件表面的解决方案，尤其是通过产生等离子体冲击波来清洗纳米级颗粒，而不会损害基底。这种技术不仅避免了化学清洗造成的环境污染，而且比机械清洗和超声波清洗更为精确和安全。
图：激光等离子体冲击波清洗微粒原理
2.激光除锈：激光除锈利用高峰值功率的脉冲激光照射锈蚀层，通过加热引起膨胀、热冲击和相变，从而去除锈蚀。这种方法是非接触式的，不会对工件表面造成机械损伤，并且易于实现自动化，提高生产效率。激光除锈过程产生的噪声较低，无粉尘污染，有助于创造更清洁的工作环境。
图：激光除锈效果前后对比
随着激光清洗技术的持续发展，我们期待它在更多领域中发挥重要作用，为工业生产和环境保护带来更多的好处。激光清洗不仅提升了清洁的效率和精确度，也减少了对环境的影响，成为表面净化领域的前沿技术，引领我们步入清洁技术的新时代。
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