激光清洗作为一种新型的表面清洗技术,具有无机械接触、无基底损伤、选择性清洗、绿色环保等优点,在文物保护、光电子元器件制备、轮胎模具清洗等领域应用广泛,其清洗机制的研究和成品设备的开发受到国内外相关领域研究人员的关注。本文介绍了激光清洗技术在钢铁锈蚀去除方面的应用,主要进行了三个方面的工作：实验方面,依托实验室已有条件,开展相应的实验研究,提出了浮锈层的同步清洗钝化条件和双光束湿洗除锈钝化方法；理论方面,使用ANSYS有限元方法对激光与锈蚀相互作用的过程进行仿真,提出了低于材料气化阈值下的锈层清洗的分层模型；设备开发方面,通过小组成员合作组装了两台不同类型的低功率激光清洗设备,并进行了工业除漆、除锈方面的应用尝试。具体如下：(1)通过对以往已有文献的阅读和总结,整理、汇总了激光清洗的物理机制。激光清洗的对象可分为微粒和膜层两种,对于微粒的去除有三种作用在里面,一是热弹性膨胀,二是激光烧蚀,三是间隙液膜爆发性沸腾等,其中以热弹性膨胀机制为主。有多种具体的实施方式,从入射的角度考虑,可分为正入射、角度入射、掠入射和背入射等四种,通过分析激光加热引起的温度分布和位移分布,建立激光引起的脱离应力与粘附力之间的比较关系,或热弹性能与粘附势能之间的比较关系,进而确定清洗条件,最终得到激光参数、材料参数和环境参数与清洗效果、效率之间的决定关系。(2)提出了一种双光束湿式清洗除锈的清洗方法和清洗装置。双光束中,一束为脉冲CO2激光,一束为准连续Nd:YAG激光。脉冲CO2激光在液膜辅助条件下能够使激光除锈的清洗效率得到提高,准连续Nd:YAG激光通过加热钢铁基底首先去除残余的液膜,避免二次腐蚀,然后通过调控脉冲个数控制基底的表面温升,实现钢铁的主动氧化钝化。(3)使用准连续激光器线扫描方式去除浮锈,同步实现清洗钝化。准连续激光的脉冲宽度在固定重复频率为3kHz、泵浦电流为20A时为150ns,处于中等脉冲宽度范畴,具有有别于短脉冲激光的清洗特性。使用该中等脉冲宽度激光对浮锈层进行激光去除,在激光能量密度选择合适的情况下,通过激光加热使基底达到熔点,利用金属熔池对温度和氧含量的均匀作用,能够使得活化的钢铁基底的氧化作用较为均匀,从而在清洗的同时实现钝化。当激光能量密度只是达到去除表面锈层时,清洗后的钢铁表面的抗腐蚀性只是得到部分提高,无法提供钝化效果；而激光能量密度过高,使得锈层表层的温度超过其分解温度,则锈层将发生分解,同时过深的熔池导致氧含量的深度扩散,形成多层结构,也丧失了钝化效果；通过实验现象与ANSYS仿真结果的对比,最终确定了清洗钝化实现的条件。(4)提出了低于气化阈值下的激光除锈的分层模型。激光照射到锈蚀样品表面,由于激光在锈层表面的吸收衰减作用,表层的温度能够达到氧化铁的分解温度,通过熔化分解作用实现去除,而较深层的激光能量虽然不能直接使锈层发生分解,但是通过加热锈层疏松多孔结构内部的空气,利用膨胀空气的气压也能够对锈层起到破碎的作用,即相爆炸机制。熔化分解和相爆炸作用通过多脉冲的积累,逐渐的减小锈层的厚度,当锈层厚度降低到小于热扩散深度时,部分激光能量能够穿透剩余的薄锈层而直接被基底吸收,通过基底的热弹性膨胀能够将剩余的薄锈层一次性去除。使用ANSYS仿真方法对三种清洗机制的作用过程进行了模拟,在三种作用中,次层的相爆炸机制是锈层低于气化阈值下的主要去除机制。(5)提出了一种光声谱的在线监测方法；结合LIBS光谱检测的成分分析,与飞行时间检测的膜层界面分析,光声谱监测相比于单一的LIBS光谱检测和飞行时间检测具有更广的适用范围。主要应用在多层材料的激光清洗过程中,如钢铁基底-铁锈-油漆、钢铁基底-底漆-面漆、新出土文物的金属基底-腐蚀产物-土壤结块等的三层甚至多层结构中。利用LIBS光谱的定性成分检测分析能够区分不同的物质层(原子光谱变化),而通过飞行时间检测能够区分不同的物理结合层(界面反射、吸收变化),从而能够完全的掌握在多层材料的清洗过程中的清洗状态。(6)介绍了组装的两台激光清洗设备的情况。第一台是电光调Q激光清洗机,主要针对漆层的清洗,输出激光脉冲通过导光臂进行中短距离传输,使用三维电动台实现光束的扫描。第二台是声光调Q激光清洗机,使用传能光纤传输激光光束,使用单振镜将点状光斑扫描成线,并与聚焦镜等封装在手持头中实现较为便捷的手动操作。