我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出要深入实施制造强国战略，推动集成电路、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交通装备等产业创新发展。激光清洗技术作为激光制造中的一种先进技术，相比传统的“化学”“干冰”“喷砂”“机械打磨”“超声波”等工业清洗方式，它拥有更加环保、经济实用等优势，对我国高端制造装备产业竞争力的提升具有重要意义。
本文将围绕激光清洗的原理、优劣势及应用进行探讨。
原理
激光清洗技术是指利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，高速有效地清除清洁对象表面附着物或表面涂层，从而达到洁净的工艺过程。激光清洗技术是基于激光与物质相互作用效应的一项新技术，与传统的机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法不同、激光清洗不需要任何破坏臭氧层的CFC类有机溶剂，无污染，无噪声，对人体和环境无害，是一种“绿色”清洗技术。
激光清洗同时包含物理过程和化学过程，在比较多的情况下是以物理过程为主，伴随着部分化学反应。主要过程可以归纳为三类，包括气化过程、冲击过程和振荡过程，分别主要对应的技术为湿式激光清洗技术、激光等离子体冲击波技术和干式激光清洗技术。
气化过程：当高能量的激光照射到材料表面时，表面吸收激光能量转换成内能，使表面温度迅速升高，达到材料的汽化温度以上，从而使污染物以蒸汽的形式脱离材料表面。在表面污染物对激光的吸收率明显高于基材对激光的吸收率时，通常会发生选择性汽化，比较典型的应用案例是石材表面的脏污清理。如下图所示，石材表面的污染物对激光的吸收较强，迅速被汽化。
当污染物被清除干净，激光照射到石材表面时，吸收较弱，较多的激光能量被石材表面散射，石材表面的温度变化小，石材表面因此而得到保护，不受损伤。
以化学作用为主的典型过程则是在采用紫外波段的激光进行清洗有机污染物时发生，被称作激光消融（Ablation）。紫外激光的波长较短，光子能量高，比如KrF准分子激光，波长248nm，光子能量高达5eV，超过CO2激光光子能量（0.12eV）的40倍。这么高的光子能量足以破坏有机物的分子键，使有机污染物中的C-C、C-H、C-O等在吸收激光的光子能量后发生断裂，从而产生裂解气化，有机污染物因此从表面清除。
冲击过程：冲击过程是在激光与材料作用过程中，发生的一系列反应，进而形成的对材料表面的冲击波。在冲击波的作用下，表面污染物发生碎裂，变成粉尘或碎片从表面剥离。造成冲击波的机理有多种，包括等离子体、蒸汽、急剧的热胀冷缩现象等。
振荡过程：短脉冲作用下，材料升温和降温的过程都极其迅速。由于不同的材料，其热膨胀系数不同，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，使污染物从材料表面剥落。在此剥落过程中，可能不会发生材料的汽化，也不一定会产生等离子体，而是依靠振荡作用下，在污染物与基材界面形成的剪切力破坏了污染物与基材的结合。
研究表明，当激光的入射角稍微加大时，可以增加激光与颗粒污染物和基材界面的接触，降低激光清洗的阈值，振荡作用更加明显，清洗效率更高。但是入射角也不宜过大，太大的入射角会降低作用在材料表面的能量密度，减弱激光的清洗能力。
应用
目前，激光清洗技术已在仪器制造、航空、铁路、文物保护和医疗等多个领域得到应用。
1、精密仪器
在对精密仪器零件上用来润滑和抗腐蚀的酯类及矿物油加以清除时，通常使用的是传统的化学方法，而化学清洗往往仍有残留物。激光去酯可以将酯类及矿物油完全去除，不损伤零件表面。激光促使零件表面氧化物薄层爆炸性气化形成了冲击波，导致污物去除，而非机械互作用。
2、钢轨
工人手持砂轮进行人工清洗
目前，钢轨焊前清洗全部采用砂轮、砂带打磨式清洗，基材损伤严重，残余应力严重，并且每年消耗大量砂轮耗材，成本高，对环境造成严重粉尘污染。激光清洗可为我国高速铁路铺轨生产提供高质、高效的绿色清洗技术，解决以上问题的同时消除无缝铁轨孔洞、灰斑等焊接缺陷，提高我国高速铁路运行的稳定性及安全性。
3、航空行业
飞机的表面进行重新喷漆保养前需要将原来的旧漆完全除去。化学浸泡/擦拭是航空领域的主要脱漆方法，该方法造成了大量化学附属废物，也无法实现局部检修脱漆，该工序工作量繁重、危害健康。激光清洗可实现飞机蒙皮表面涂漆的高质量去。
4、文物保护行业
用激光清洗机清理青铜器的锈蚀物
激光清洗文物、工艺品以及建筑物的应用已经非常广泛。在欧洲，人们已经清洗了各种建筑，如波兰的烈士墓、伦敦的西行政宫等。采用KrF准分子激光器，用波长为1.06nm的激光可以有效地将石雕等工艺品（如石灰石、大理石和骨头）的污垢清洗干净，且对文物本身无损害。但需要注意的是，激光清洗技术应用效果十分可靠，但激光并不是所有文物都可以清洗，如彩色多样的工艺品，由于不同的颜色对激光吸收色谱不同，导致吸收能量大小不一，故能量吸收高的部分会受到损伤。
5、医疗行业
激光清洗已在清洗纹身、纹眉领域中得以应用。以往利用化学药物清洗或者进行近一步纹涂掩盖，不但不能完全清洗掉色素，还会留下疤痕，甚至危害健康；将激光作用于患处，利用激光传递的能量将色素颗粒快速击碎，通过皮肤退皮以及细胞吞噬等代谢方式去除纹身色素，且激光清洗效果良好，并对患者的皮肤无伤害。
优缺点
激光清洗优势很多，包含1、绿色环保，不使用任何化学药剂和清洗液；2、清洗废料主要以固体粉末为主，体积小、易于存放、可回收；3、非接触清洗、不损伤工件，无介质残留、不产生二次污染；4、光纤传输，可远距离操作，对于危险场所清洗，可确保人员安全；5、可与计算机数控系统或机械手,机器人配合,实现自动清洗,提高生产效率，降低人工劳动强度；6无耗材、维护成本低。
可同时，激光清洗目前的缺点也不容忽视。
首先，激光清洗设备成本相对较高。如今激光清洗已从百瓦级发展到千瓦级功率，采购成本也已经大幅下降，但是仍然维持十万元至数十万元的价格，而传统清洗非常便宜，干冰清洗设备低至一万余元。
其次，激光清洗擅长处理平面污垢，这也是其局限性所在。遇上不规则形状、含转角位、空间狭窄的工件，激光清洗难以发挥作用。例如类似管道内壁的工件内部清洗，相比于激光清洗，全浸泡酸洗效果更好。
最后，虽然激光清洗处理铁锈效果较好，但实际应用中，生产设备或者产品表面污垢成分多样，比如油污、半凝固态物等。针对此类污垢，功率多少的激光器最为合适是关键问题所在。目前激光清洗功率已经可以实现数千瓦的设备，但是清洗并非功率越高越好，目前对于高功率光束是否会对工件表层带来损伤，其损伤度如何控制，仍然是需要进一步研究。
小结
叫好不叫座也正是将其称作冷门黑科技的主要原因，而进一步补齐技术短板，提高性价比，开展更多的技术应用场景营销等相信是它转变成为“热门”产品的必经之路。
