激光清洗技术(Laser Cleaning)应用于文物清洗和保护领域开始于激光器发明之后的上世纪七十年代，是先进激光技术在传统文化遗产保护领域的有效尝试和成功应用。与目前传统的文物清洗方法，如机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法等相比，文物激光清洗具有对象可选择性、环境友好、非接触性、可控性强等独特优势，逐渐成为文物清洗、修复与保护的重要手段之一。

经过近几十年的发展，尤其是灯泵Nd:YAG纳秒激光器的成熟及广泛使用，人们不仅在实验室广泛开展多类型文物激光清洗的实验和清洗参数的优化，同时也开始在石质文物、金属文物、油彩类文物等实际文物上开展激光清洗尝试。尤其是石质文物的激光清洗，如英国亚眠大教堂、雅典的石质玻璃窗艺术品、赫尔墨斯雕塑等也已经有了激光现场清洗的成功案例。

图1  石质文物激光清洗前后比较

文物的激光清洗原理是将具有高能量的激光光束照射到待清洗的文物表面，通过激光束与文物表面附着物（如污垢、漆层、锈蚀等）的烧蚀或剥离作用，达到使附着物脱离文物基底层同时不损伤基底层的目的。文物激光清洗的过程包括激光能量的吸收、污染物粒子热膨胀/基体表面振动、烧蚀/气化分解/剥离等。清洗效果主要受激光光束特性、基底与污染物物性参数性质、污染物对激光能量的吸收等因素影响，因此，需要通过实验室文物样品清洗实验，优化和选择合适的激光波长、激光能量、清洗速度、清洗次数等参数，进而达到最佳清洗效果。

在中国-希腊文物保护技术“一带一路”联合实验室建设与联合研究项目中，中国科学院空天信息创新研究院激光工程中心研制文物清洗专用激光清洗装置，搭建实验室文物激光清洗综合实验平台，故宫博物院针对石质文物和青铜文物的激光清洗需求，开展基础应用研究和应用示范研究，为文物激光清洗的实际应用奠定基础。

针对目前不同材质文物需采用不同类型激光系统进行清洗的应用限制以及对激光清洗精密度的应用需求，研究激光光场多参量复合调控技术及其对不同材质文物清洗效果的影响。同时研究激光对金属、石质文物的作用机制，探明不同激光参数对其清洗效果的影响，明确适用于金属、石质文物激光清洗的优化清洗参量。

图2  多参量激光光场与材料相互作用模拟计算

图3  多脉宽复合激光文物清洗机制

在此基础上，研制文物清洗专用多参量调控激光装置，在当前通过调控输出波长，控制激光与不同材质文物相互作用的基础上，提供多维度激光光场参量协同控制，包括：激光脉冲宽度、激光时间空间强度分布状态、输出波长及其组合形式、不同脉宽及波长激光脉冲能量比率。在时间尺度和空间维度控制激光与文物材料的作用机制，以及作用区域的横纵向尺度，实现文物清洗的精细化和可控性。

图4   初步搭建的多参量调控纳秒和皮秒激光清洗系统

同时，为兼顾实验室文物激光清洗技术关键技术研究的科研需要和实际文物现场激光清洗的应用需求，建立包含多参量调控激光装置系统、激光时空间强度分布系统、样品状态及加工控制系统、样品形貌分析及探测系统、现场清洗导光及控制系统等的多体制文物激光清洗全链路综合实验平台，分别进行石质文物、青铜文物激光清洗的实验室探索和现场清洗的应用示范，为激光清洗技术在文物保护领域的应用提供参考。

图5  多种类文物及样品激光清洗实验室实验

图6  城墙类文物表面污染物现场清洗

通过中国-希腊文物保护技术“一带一路”联合实验室建设与联合研究项目的顺利实施，在故宫博物院和中国科学院空天信息创新研究院分别搭建各具特色的激光清洗技术实验平台，验证超短激光冷加工和多参量时空间强度分布调控等技术对激光清洗文物精度、稳定度的提高和副作用的抑制作用，为多种材料文物清洗的实践提供优化的创新清洗方案及参数控制，为激光清洗技术在文物保护中的应用和推广贡献力量。