激光清洗的过程依赖于激光器所产生的光脉冲的特性，基于由高强度的光束、短脉冲激光及污染层之间的相互作用所导致的光物理反应。其物理原理可概括如下：
1、激光器发射的光束被需处理表面上的污染层所吸收。
2、大能量的吸收形成急剧膨胀的等离子体（高度电离的不稳定气体），产生冲击波。
3、冲击波使污染物变成碎片并被剔除，光脉冲宽度必须足够短，以避免使被处理表面遭到破坏的热积累。
4、当金属表面上有氧化物时，等离子体产生于金属表面。
等离子体只在能量密度高于阈值的情况下产生，这个阈值取决于被去除的污染层或氧化层。对在保证基底材料安全的情况下进行有效清洁非常重要。等离子体的出现还存在第二个阈值。如果能量密度超过这一阈值，则基底材料将被破坏。为在保证基底材料安全的前提下进行有效的清洁，必须根据情况调整激光参数，使光脉冲的能量密度严格处于两个阈值之间。
每个激光脉冲去除一定厚度的污染层。如果污染层比较厚，则需要多个脉冲进行清洗，将表面清洗干净所需要的脉冲数量取决于表面污染程度。由两个阈值产生的一个重要结果是清洗的自控性。能量密度高于第一阈值的光脉冲将一直剔除污染物，直到达到基底材料为止。然而，因为其能量密度低于基底材料的破坏阈值，所以基底不会受到破坏。
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