文/深圳市杰普特光电股份有限公司
激光清洗技术作为一种高效、环保的清洗方式，正在逐渐替代传统的化学清洗和机械清洗方法。随着国家对环保要求的日益严格，以及工业制造领域对清洗质量和效率的不断追求，激光清洗技术的市场需求正在快速增长。中国作为制造大国，拥有庞大的工业基础，这为激光清洗技术的广泛应用提供了广阔空间。在航空航天、轨道交通、汽车制造、模具制造等行业，激光清洗技术已经得到了广泛应用，并且正在逐步向其他行业拓展。
工件表面清洗技术在很多领域都有广泛的应用，传统的清洗方法往往是接触式清洗，对清洗物体表面有机械作用力，损伤物体的表面或者清洗的介质附着于被清洗物体的表面，无法去除，产生二次污染。现如今国家倡导发展绿色环保的新兴工业，用激光清洗是最好的选择。激光清洗的无研磨和非接触性，使这些问题迎刃而解。激光清洗设备适用于各种材质的物体清洗，被认为是最可靠、最有效的清洗办法。
激光清洗原理
激光清洗是通过将高能量密度的激光束照射到物体待清洗的部位，使激光被污染层和基底吸收，通过光剥离、气化等过程，克服污染物与基底之间的粘附力，使污染物离开物体表面，进而达到清洗目的，并且不损伤物体本身。
图1：激光清洗原理图。
在激光清洗领域中，光纤激光器以其超高的光电转换效率、优异的光束质量、稳定的性能和持续发展性，已经成为现在激光清洗光源中的优胜者。光纤激光器由脉冲光纤激光器和连续光纤激光器两种类型为代表，分别占据着宏观材料加工和精密材料加工的市场领先位置。
图2：MOPA脉冲光纤激光器构造。
MOPA脉冲光纤激光器 vs. 连续光纤激光器清洗应用对比
对于新兴的激光清洗应用，不少人面对市面上的脉冲激光器和连续激光器，可能会有些困惑：到底该选用脉冲光纤激光器还是连续光纤激光器呢？下面采用两种不同类型的激光器对两种材料表面进行除漆实验，用最佳的激光清洗参数，优化好的清洗效果进行对比。
测试机型分别为CL-300-10-A MOPA脉冲光纤激光器和CW-R-B-W-2000L连续光纤激光器，见图3。
图3：CL-300-10-A MOPA脉冲光纤激光器（上）和CW-R-B-W-2000L连续光纤激光器（下）。
测试结果如图4、图5所示。通过微观观察，钣金经高功率连续光纤激光器加工后，产生了重熔现象。钢材经MOPA脉冲光纤激光器加工后，轻微损伤基材，保持基材纹路；经连续光纤激光器加工后，产生严重损伤和熔融物质。
MOPA脉冲光纤激光器（左）连续光纤激光器（右）
图4：使用MOPA脉冲光纤激光器（左）和连续光纤激光器（右）对钣金表面脱漆后的表面效果（上）和微观图（下）对比。
MOPA脉冲光纤激光器（左）连续光纤激光器（右）
图5：使用MOPA脉冲光纤激光器（左）和连续光纤激光器（右）对钢材除锈后的表面效果（上）和微观图（下）对比。
通过以上对比可知：连续光纤激光器因其热量输入大，易导致基材变色及变形；如对基材损伤要求不高，且材料清洗的厚度较薄的情况下，可选用该类激光器作为光源。MOPA脉冲光纤激光器是靠高峰值能量和高重频脉冲的方式作用到材料上，通过对清洗物瞬间气化和震荡让其剥离；其拥有热效应小，兼容性高，精细度高，可做到不破坏基材的特点。
由此结论，面对精密度高，需要严格控制基材升温，要求基材无损的应用场景，比如喷漆后的铝、模具钢，推荐选择MOPA脉冲光纤激光器；对于一些大型高强度铝合金材料、圆形管道等，由于体积大散热快，对基材损伤要求不高，可以选择连续光纤激光器。
单模及多模激光器的原理及应用区别
（1）单模及多模激光原理简介
图6：单模（左）和多模（右）。
单模
单模指的是激光能量在二维平面上的单一分布模式，也指激光束的横模，即横截面内只有一个模式，呈山峰形状，中心至外缘的能量密度依次递减，能量分布为高斯曲线形式，也称为高斯光。
多模
多模指的是多个分布模式叠加在一起而形成的空间能量分布模式，也指激光束的横模，即横截面上有很多个能量点，模式越多，则能量越呈现平顶分布，也称为平顶光。
凭借在核心光源领域的技术创新和经验积累，杰普特公司针对激光清洗应用自主研发了MOPA 100~2000W功率段的CL系列激光器（见图7），其优势在于轻量化的机壳及输出头设计，拥有单模、多模多种光束类型系列的光源可供选型，后续还将继续研发升级CL系列。
图7：CL-2000-100-W多模光纤激光器（上）和CL2-200-1&5-A单模光纤激光器（下）。
（2)单模及多模激光加工光斑形貌对比
根据图8a-c可以看出，CL-1系列光斑效果呈现“深坑状”形态；CL-5系列光斑效果呈现平顶式的“弧状”形态，CL-10系列光斑内部有深度，像外围火山口。
图8a：CL-1系列光斑图，单模。
图8b：CL-5系列光斑图，多模。 图8c：CL-10系列光斑图，多模。
（3)单模及多模应用区别
多模和单模的区别：单模发出的是典型的高斯光束，能量非常集中，类似陡峭的山峰（见图6左），光束质量也要优于多模；多模相当于是多束高斯光束的组合，所以能量分布近似一个倒扣的杯子（见图6右），比较平均，当然光束质量较单模也要差一些。
根据不同的特性表现，单模和多模的应用方向也有所区别，比如在除漆、除锈、去油污和毛化应用中，若被清洗物有一定厚度或锈渗透进材料里层的，选用单模激光器去清洗比较合适；若对材料有较高要求，不能伤基材的情况，可以选择多模激光器去清洗。
激光清洗实验
（1）不锈钢除漆清洗实验
图9：不同能量密度下，CL-1/-5/-10/-15的清洗效果。
在不同能量密度下，通过材料微观图（见图9）可以看出，CL-1系列伤基材，大部分基材纹路被打掉了；CL-5/-10/-15系列不伤基材，保留材料基材纹路。
（2）碳钢基材除锈清洗实验
图10：使用CL-1000-15（左）和CL-1000-50（右）获得的碳钢清洗效果。
通过碳钢基材除锈清洗实验（见图10），CL-50系列宏观效果表面更为平整，表面粗糙度值也会更小，因为CL-50的光斑比CL-15的光斑更大一些；且与单模相比，多模的平顶光能更有效地利用能量，对清洗基材损伤程度能减到最小，适用于对基材要求高的工况。
(3)元素分析测试
采用JCM-7000扫描电子显微镜对表面元素含量进行元素分析，具体结果见表1。
表1：表面元素含量分析
图11：（a）未清洗材料 （b）CL-10系列清洗效果 （c）CL-1系列清洗效果
从表1可看出，经CL-10系列激光器清洗后，材料表面SiO2的含量下降了0.21%，SO3的含量下降了3.1%，氯已经被清洗掉了；经CL-1系列激光器清洗后，所有表面元素完全被清洗掉了。
通过元素数据分析，在固定的清洗次数下，多模清洗后，表面的氧化物还有残留；单模清洗后，表面的杂质基本去除干净，效率也相比于多模会更好。
综上所述，以上实验验证单模和多模的原理及应用效果区别。CL-1系列激光器可以彻底清洗表面锈迹，但在基材表面易造成纹路的损伤；CL-5/-10/-15系列在去除涂层或漆面的同时，对基材几乎没有影响，能够有效保留基材的原始纹路；CL-50系列聚焦光斑比CL-15系列更大，在宏观效果上更具优势。
单、多模激光宏观上都可以去除表面氧化层，单模清洗后比较彻底，对材料基材损伤程度较大。多模清洗后表面粗糙度较低，对材料基材损伤程度更小，但是清洗不到材料里层的物质，同等参数下多模的清洗效果会更好。
像激光除锈、剥阳极、焊前焊后处理、手持打标等这些应用，使用杰普特研发的CL-1/5/10系列清洗激光器效果更佳；如果材料需要高效率清洗，用较大光斑的平顶光去加工材料更合适，如CL-10/15/50系列清洗激光器；如需要除漆、除镀层、除薄锈且不伤基材的应用，可使用CL-50/100系列激光器。
除了CL系列，杰普特公司还研发了200~1000W功率段的M7系列光源，也属于单模激光器，M7系列采用隔离器输出，对高反材料加工效果更佳，光束质量比 CL 系列更优，加工底纹更加细腻。M7 系列适用于激光除锈、表面处理、薄板切割、焊接、雕刻、钻孔、剥涂层等应用。
在激光清洗中，需综合考虑材料情况以确保在满足清洁需求的同时，最大程度地减少对基材的损伤。根据实际工作情况，选择合适的激光光源至关重要。
激光清洗想要走入规模化应用，离不开新技术和新工艺的创新，杰普特将继续坚持激光+的定位，控制好发展节奏稳扎稳打，努力深耕上游核心激光光源技术，重点解决关键激光材料与部件关键问题，为先进制造提供动力之源。
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