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激光技術(shù)在醫(yī)療、制造、娛樂(lè)、軍事、科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域有著十分重要的作用。近年來(lái)激光技術(shù)由于在石質(zhì)材料和文物的清洗、修復(fù)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著高檔石材對(duì)清洗的精確度的要求越來(lái)越高，以及人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，激光清洗技術(shù)正作為一種先進(jìn)的清洗方法被人們認(rèn)識(shí)和使用。
激光清洗技術(shù)主要利用激光束來(lái)高速有效地清除待清洗對(duì)象表面的附著物，它省時(shí)、省力、節(jié)水，而且安全可靠，適用面廣，易于自動(dòng)控制。特別對(duì)于石雕、石刻、各種邊角等石面精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及年代久遠(yuǎn)的石質(zhì)文物等高檔石材的清洗，激光清洗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是許多傳統(tǒng)清洗工藝所無(wú)法比擬的。因此可以說(shuō)激光清洗是清洗技術(shù)的一大進(jìn)步，推廣應(yīng)用激光清洗技術(shù)必將使石材清洗業(yè)和文物修復(fù)業(yè)如虎添翼。
一.激光清洗的基本原理：
污物和石材表面之間的結(jié)合力主要為物理作用力和弱化學(xué)作用力。弱化學(xué)作用力包括氫鍵和電荷轉(zhuǎn)移形成的鍵能等，物理作用力包括范德華力(包括靜電、誘導(dǎo)和色散作用)以及毛細(xì)作用力等。石材比其它硬表面材料更難清洗的原因是由于天然石材存在的大量微孑L隙，微孔隙的毛細(xì)作用力不僅使污物與石材之間的各種結(jié)合力得到了增強(qiáng)，同時(shí)其包裹作用也使各種清洗的外力難以發(fā)揮作用。
激光是一種單色性和方向性都很好的光輻射。通過(guò)透鏡組合可以聚焦光束，把光束集中到一個(gè)很小的范圍或區(qū)域中。激光光束至少可以產(chǎn)生三個(gè)方面的作用：
(1)會(huì)在固體表面產(chǎn)生力學(xué)共振現(xiàn)象，使表面污垢層或凝結(jié)物碎裂脫落。
(2)會(huì)使表面污垢層受熱膨脹，從而克服基體物質(zhì)對(duì)污垢粒子的吸附力而脫離物體表面。
(3)在瞬間使污垢分子蒸發(fā)、氣化或分解。
激光清洗技術(shù)正是利用①激光脈沖的振動(dòng);②粒子的熱膨脹;③分子的光分解或相變?nèi)N作用或它們的聯(lián)合作用克服污物的基體物質(zhì)表面之間的結(jié)合力，使其脫離物體表面而達(dá)到清洗的目的。根據(jù)被清洗基體物質(zhì)與污物的光學(xué)特性分析，又可將激光清洗機(jī)理分為兩大類：
一類是利用基體物質(zhì)與表面附著的污垢對(duì)某一波長(zhǎng)激光能量的吸收系數(shù)的差別，使激光能量充分被附著的污物所吸收，從而受熱膨脹或汽化揮發(fā)，并被汽化形成的蒸氣流帶動(dòng)脫離基體物質(zhì)而達(dá)到清洗的目的。其要求是基體物質(zhì)對(duì)激光能量的吸收系數(shù)要小，這樣基體物質(zhì)才不至于被損傷。因此實(shí)現(xiàn)安全、高效清洗的關(guān)鍵是選擇合適的激光波長(zhǎng)并控制的能量密度。
另一類是對(duì)于基體物質(zhì)與表面附著物對(duì)激光束的吸收系數(shù)差別不大，或者表面附著物受熱后會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)等情況的清洗，通常是利用較高頻率和功率的脈沖激光沖擊被清洗的表面，使部分光束轉(zhuǎn)換成聲波，聲波在沖擊中下層硬表面以后返回，其返回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生高能共振波，使垢層發(fā)生微小爆裂，造成粉碎，易于脫離基體物質(zhì)表面。
對(duì)于石材表面污垢的清洗，以上機(jī)理往往組合運(yùn)用。通常根據(jù)被處理石材和污垢的情況調(diào)節(jié)光束光脈沖的頻率(每秒0.5到30個(gè)脈沖)和振幅(8到25ns)，使污垢物質(zhì)適當(dāng)吸收光能。
脈沖激光不斷重復(fù)的頻率的沖擊作用可使石材表面和微孔隙中的污垢松動(dòng)，當(dāng)激光的沖擊力大于基體對(duì)污垢粒子的吸附力時(shí)，污垢微粒便脫離基體達(dá)到清洗目的。當(dāng)激光光子能量大于(附著層)污垢分子的鍵能時(shí)，激光的光分解、光剝離作用相繼發(fā)揮效應(yīng)，如KrF準(zhǔn)分子激光光子能量為SeV，大于有機(jī)污物O-O、H-H、O-H、C-C、C-H和N-H等化學(xué)鍵的鍵能，激光的作用可以破壞部分化學(xué)鍵，分解有機(jī)物，從而可清洗有機(jī)油污。當(dāng)激光光束能量密度進(jìn)一步提高時(shí)，一些無(wú)機(jī)污垢，如含K、Na的鹽以及由有機(jī)污垢光分解后產(chǎn)生的無(wú)機(jī)物可被激光加熱膨脹，產(chǎn)生熱剝離(即光剝離)而脫離基體表面。為了充分利用激光的各種作用，加強(qiáng)激光的清洗效果，往往事先在被清洗基體的表面人為地涂上一些水或水與甲醇或乙醇的混合液體。當(dāng)激光照射于液膜上時(shí)，液膜因急劇受熱，會(huì)產(chǎn)生爆炸性汽化。爆炸的沖擊使基體表面的污垢松散并隨沖擊波飛離基體的表面，達(dá)到去污的目的。在這種方法中盡管也有污垢粒子的振動(dòng)和粒子的熱膨脹，但爆炸性沖擊波的作用是主要的，此種方法也稱為：激光+液膜方法。覆蓋于基體表面的液膜的厚度一般為l0Um。
激光清洗技術(shù)主要利用激光束來(lái)高速有效地清除待清洗對(duì)象表面的附著物，它省時(shí)、省力、節(jié)水，而且安全可靠，適用面廣，易于自動(dòng)控制。特別對(duì)于石雕、石刻、各種邊角等石面精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及年代久遠(yuǎn)的石質(zhì)文物等高檔石材的清洗，激光清洗技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是許多傳統(tǒng)清洗工藝所無(wú)法比擬的。因此可以說(shuō)激光清洗是清洗技術(shù)的一大進(jìn)步，推廣應(yīng)用激光清洗技術(shù)必將使石材清洗業(yè)和文物修復(fù)業(yè)如虎添翼。
一.激光清洗的基本原理：
污物和石材表面之間的結(jié)合力主要為物理作用力和弱化學(xué)作用力。弱化學(xué)作用力包括氫鍵和電荷轉(zhuǎn)移形成的鍵能等，物理作用力包括范德華力(包括靜電、誘導(dǎo)和色散作用)以及毛細(xì)作用力等。石材比其它硬表面材料更難清洗的原因是由于天然石材存在的大量微孑L隙，微孔隙的毛細(xì)作用力不僅使污物與石材之間的各種結(jié)合力得到了增強(qiáng)，同時(shí)其包裹作用也使各種清洗的外力難以發(fā)揮作用。
激光是一種單色性和方向性都很好的光輻射。通過(guò)透鏡組合可以聚焦光束，把光束集中到一個(gè)很小的范圍或區(qū)域中。激光光束至少可以產(chǎn)生三個(gè)方面的作用：
(1)會(huì)在固體表面產(chǎn)生力學(xué)共振現(xiàn)象，使表面污垢層或凝結(jié)物碎裂脫落。
(2)會(huì)使表面污垢層受熱膨脹，從而克服基體物質(zhì)對(duì)污垢粒子的吸附力而脫離物體表面。
(3)在瞬間使污垢分子蒸發(fā)、氣化或分解。
激光清洗技術(shù)正是利用①激光脈沖的振動(dòng);②粒子的熱膨脹;③分子的光分解或相變?nèi)N作用或它們的聯(lián)合作用克服污物的基體物質(zhì)表面之間的結(jié)合力，使其脫離物體表面而達(dá)到清洗的目的。根據(jù)被清洗基體物質(zhì)與污物的光學(xué)特性分析，又可將激光清洗機(jī)理分為兩大類：
一類是利用基體物質(zhì)與表面附著的污垢對(duì)某一波長(zhǎng)激光能量的吸收系數(shù)的差別，使激光能量充分被附著的污物所吸收，從而受熱膨脹或汽化揮發(fā)，并被汽化形成的蒸氣流帶動(dòng)脫離基體物質(zhì)而達(dá)到清洗的目的。其要求是基體物質(zhì)對(duì)激光能量的吸收系數(shù)要小，這樣基體物質(zhì)才不至于被損傷。因此實(shí)現(xiàn)安全、高效清洗的關(guān)鍵是選擇合適的激光波長(zhǎng)并控制的能量密度。
另一類是對(duì)于基體物質(zhì)與表面附著物對(duì)激光束的吸收系數(shù)差別不大，或者表面附著物受熱后會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)等情況的清洗，通常是利用較高頻率和功率的脈沖激光沖擊被清洗的表面，使部分光束轉(zhuǎn)換成聲波，聲波在沖擊中下層硬表面以后返回，其返回的部分與激光產(chǎn)生的入射聲波發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生高能共振波，使垢層發(fā)生微小爆裂，造成粉碎，易于脫離基體物質(zhì)表面。
對(duì)于石材表面污垢的清洗，以上機(jī)理往往組合運(yùn)用。通常根據(jù)被處理石材和污垢的情況調(diào)節(jié)光束光脈沖的頻率(每秒0.5到30個(gè)脈沖)和振幅(8到25ns)，使污垢物質(zhì)適當(dāng)吸收光能。
脈沖激光不斷重復(fù)的頻率的沖擊作用可使石材表面和微孔隙中的污垢松動(dòng)，當(dāng)激光的沖擊力大于基體對(duì)污垢粒子的吸附力時(shí)，污垢微粒便脫離基體達(dá)到清洗目的。當(dāng)激光光子能量大于(附著層)污垢分子的鍵能時(shí)，激光的光分解、光剝離作用相繼發(fā)揮效應(yīng)，如KrF準(zhǔn)分子激光光子能量為SeV，大于有機(jī)污物O-O、H-H、O-H、C-C、C-H和N-H等化學(xué)鍵的鍵能，激光的作用可以破壞部分化學(xué)鍵，分解有機(jī)物，從而可清洗有機(jī)油污。當(dāng)激光光束能量密度進(jìn)一步提高時(shí)，一些無(wú)機(jī)污垢，如含K、Na的鹽以及由有機(jī)污垢光分解后產(chǎn)生的無(wú)機(jī)物可被激光加熱膨脹，產(chǎn)生熱剝離(即光剝離)而脫離基體表面。為了充分利用激光的各種作用，加強(qiáng)激光的清洗效果，往往事先在被清洗基體的表面人為地涂上一些水或水與甲醇或乙醇的混合液體。當(dāng)激光照射于液膜上時(shí)，液膜因急劇受熱，會(huì)產(chǎn)生爆炸性汽化。爆炸的沖擊使基體表面的污垢松散并隨沖擊波飛離基體的表面，達(dá)到去污的目的。在這種方法中盡管也有污垢粒子的振動(dòng)和粒子的熱膨脹，但爆炸性沖擊波的作用是主要的，此種方法也稱為：激光+液膜方法。覆蓋于基體表面的液膜的厚度一般為l0Um。
