摘要

激光烧蚀是清洁铜基合金的一种有效方法。提出了一种新的表征方法，利用ToF-SIMS光谱评估O同位素，以评估激光-表面相互作用的驱动机制。检测到re-oxidised的存在，区分了来自腐蚀层的氧气和通过与激光相互作用引入的氧气（在N中稀释的O的受控气氛中产生）。用不同激光条件处理的一组样品由FESEM和μRaman表征。结果表明，再氧化现象会发生，其选择性取决于激光条件。

1.介绍

激光技术广泛应用于工业材料加工:如切割和打标、钻孔、焊接、材料烧蚀。特别是激光烧蚀表面清洗的应用程序在几个领域:例如,剥离涂料制造障碍和环境之间的表面,石油润滑油的清洁,生锈或油漆表面的钢制造,消除碳质沉积在发动机部件。当然，去除金属表面(不锈钢，硅片，铝合金)的连续层或颗粒。

然而，在消除金属上的腐蚀层期间，特别是激光诱导去除铜基合金上的腐蚀产物的文献中，关于激光与表面材料相互作用的信息有限。例如，Zhang和他的合作者报告说，在铝合金上，激光烧蚀能够去除原始的、保护性较弱的钝化层，形成保护性更强的层。

激光-材料相互作用机理是激光材料加工中一个非常重要的研究领域。这些相互作用在科学界有不同的分类选择。其中与激光参数最相关的是将主要相互作用与辐照时间(在连续激光器中)或激光脉冲时间(在脉冲激光器中)联系起来的参数。随着激光脉冲持续时间的缩短，激光相互作用机制主要分为热效应、光热效应、光物理效应和非热效应。之前提到的大多数工业应用，包括清洗，都是在中长脉冲持续时间(4-ns)下进行的。这说明热相关机制决定了烧蚀过程。

因此，认为激光在清洗过程中的烧蚀机制主要是由纳秒红外辐照引起的热机制驱动的。此外，对于纳秒脉冲激光器，晶格热扩散是主要的输运机制。Schou和他的同事提出了一个使用纳秒级激光脉冲进行消融过程的四阶段模型:

A，(激光-固体相互作用)，激光束击中固体，被电子/原子吸收，并对辐照体产生强烈的加热;

B(激光-等离子体相互作用)，在这个阶段，材料被从加热的体积中喷射出来，并继续吸收激光能量，形成一层薄的电离蒸汽;

C，(羽流形成)，在激光脉冲结束时，等离子体羽流在真空或本底气体中以不同的方式膨胀;

D，在背景气体存在的情况下，烟羽原子与气体原子和分子的相互作用决定了烟羽的扩张。

此外，如果每个区域的平均功率(辐照度)超过某些阈值辐照度值，多光子、电离或热过程会在激光聚焦内产生密集的电子云和电离物种。如果载流子之间的碰撞数大于晶体晶格与载流子之间的碰撞数，则载流子呈现集体行为，形成等离子体。等离子体羽流的扩展和形状与激光注量有关。在这种条件下，等离子体羽流的能量如此之高，以致于它允许电离，并使液体、蒸汽或固体团簇的表面物质被去除。因此，在激光烧蚀研究中，羽流中的物理参数(如质量分布、离子和原子速度)是重要的，因为它们可以调节体中受影响的深度。然而，羽流中物种之间的相互作用以及物种与激光束之间的相互作用非常复杂，需要建模和解释，这取决于相互作用的大气。

此外，激光辐照材料的复杂性使得仅将一种相互作用分配给激光过程变得非常困难。当考虑到多组分体系的情况时，这就更加复杂了，因为在土壤、海洋或淡水或大气等各种介质中，在很长一段时间内，铜基合金上的腐蚀产物会生长:它们由内部致密的氧化铜层和通常由氯化物/碳酸盐/硫化物/硫酸盐化合物组成的外部多孔层组成。这些不同的腐蚀产物通常具有不同的光学和热性能。

如果在激光过程中发生熔化，物种可能发生固态扩散，尤其是在多组分系统中。这会导致化学成分的变化。在这种情况下，如果热扩散到达大块材料的第一层，不仅腐蚀产物可能会受到影响，金属基底也可能会受到影响。

上半部分（a）和底部附近出现典型的结垢。

镀层在镀金表面的分布是可变的。在场景的地面附近可以观察到较厚的层，而在其他区域则以薄和斑点状的外壳为主(上图)。它由大量的石膏和石英组成。呈墨绿色的外观是由于油性物质、碳包体和各种铜化合物。采用集成电路(IC)对包裹样品进行分析。在~mJ/cm2的影响下，采用机械或激光消融方法去除包裹样品，以实现地层取样。

近几十年来，在文化遗产保护领域，激光清洗也被用于选择性地消除腐蚀层。但这些研究通常更

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