如何选择干燥和蒸气激光清洁方法？

在电子工业中，脉冲激光对表面的亚微米微粒^[8，9]的辐射效应的研究工作和在20世纪90年代早期出版的著作表明：对特殊表面（颗粒或基材）吸收激光能的主体取决于使用激光器的波长，它为通过控制激光波长的选择性清洁提供了可能。当物体被一薄层液体通常是水覆盖时，发现激光能量的吸收率增加，这为水增强激光清洁提供了可能。在激光处理前涂刷或蒸气喷吹一薄层水将提高清洁的效率，这种效应在艺术品保存上^[5]也被观察到。一个简单的分析表明基材和小颗粒之间的粘附力（起源于范德瓦耳斯力，静电偶层力和由于空气潮湿存在的毛细引力）与重力相比非常大。对于从表面清除颗粒，需要一个反比于颗粒直径平方的加速度。因此，通过传统技术清除非常小的颗粒（亚微米级）是困难的。

9.2.7.1 干式清洁过程

对干燥激光清洁，有两种情况：基材强吸收和颗粒强吸收（见图9.10）。

1.基材强吸收 因为基材表面骤胀，对干燥基材快速脉冲式加热能清除微米和亚微米级的颗粒。例如：在350mJ/cm²能量密度下20ns准分子激光脉冲能从硅表面清除0.3μm的氧化铝颗粒。虽然膨胀幅度小，但时间也非常短，这导致一个很大的加速度产生。

2.颗粒强吸收 由于激光能量被颗粒选择性吸收，在650mJ/cm²能量密度下，20ns脉冲Nd-YAG激光辐射铌酸锂基材，可有效地清除微米级的W颗粒。

图9.10 从硅片表面清除小颗粒的“干”法激光清洁机制^[9]

根据激光加热的不同类型，通过表面存在的流膜，清除颗粒效果能够增强（图9.11）。^[8，9]

9.2.7.2 湿式清洁过程(www.xing528.com)

1.基材强吸收 对短波长激光例如准分子激光，用短脉冲（大约16ns）在材料（如硅）中的热扩散距离大约1_μm，在液体中大约0.1μm。因此，照射覆盖一薄层液体的硅将有效地加热液体基材界面。液体过热和喷发式的蒸发可有效清除颗粒。

2.液体层强吸收 在水膜存在时，用10ns脉冲宽度的调Q Er-YAG（2.94μm波长）激光从硅上清除0.2μm的Au颗粒，导致激光穿透深度为0.8μm的水膜的强吸收和Si的弱吸收。与基材的强吸收的情况相比清洁的有效性要差一些，因为峰值温度是在液体的顶面而不是在基材——液体界面间获得。在艺术品保护领域，这种方法被Duke大学的Wolshbart进一步应用，试图利用水的吸收峰和Er-YAG波长的主要吸收峰重合时清除包含水的表面层。

3.液体-基材界面吸收 当存在水层时，用脉冲式10.6μm的CO₂激光去清除硅上的铝颗粒，与基材强吸收情况相比；较低能量的去除效率较低。这是因为在水中该激光器的吸收深度大约为20μm，因此，如果水层只有几个微米厚，那么仅仅小部分激光能量被水层吸收，该能量被分散在大量的水中，剩余的能量渗入硅中太深作为界面加热有用的能量。因此，为了引起液体的喷发式蒸发需要更多的激光能量。

图9.11 激光清洁机制包括“蒸气”的激光清洁机制（用于从硅表面清除小颗粒）^[9]

Tam等人^[54]推断有助于基材强吸收的激光工艺条件的选择会产生最有效的蒸气清洁技术。喷发式水滴的喷出速度估计为10⁴cm/s，导致辐射表面喷射式水滴和在1cm处有喷出颗粒的形成，它还在空气中引起听得见的作为特有的噼啪声的冲击脉冲形成。随瞬时高压（达到几百个大气压）产生的峰值温度估计为370℃。然而，因为这些条件在脉冲激光操作中仅在很短时间内存在，所以基材损坏程度被严格限制。

迄今为止尽管没有详细叙述用于艺术品修复的激光蒸气清洁技术，但众所周知这种技术在清除一些覆盖物时是高效的^[5，12]，例如从石灰石雕塑中清除深色含硫覆盖物（用开关Q Nd-YAG激光器），通过喷刷水作为薄表层。