《Optics & Laser Technology》：Improved cleaning efficiency of rubber deposits removal on airport runways by continuous wave-pulsed composite laser
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摘要由于激光设备的功率限制，激光去除机场跑道橡胶沉积物的应用目前面临清洗效率不足的问题。本研究提出采用连续波-脉冲复合激光清洗技术来提高清洗效率。通过复合激光清洗实验以及与连续波激光和脉冲激光清洗实验的对比，研究了激光去除橡胶的清洗效果、清洗效率和清洗机理。结果表明，复合激光
摘要
由于激光设备的功率限制，激光去除机场跑道橡胶沉积物的应用目前面临清洗效率不足的问题。本研究提出采用连续波-脉冲复合激光清洗技术来提高清洗效率。通过复合激光清洗实验以及与连续波激光和脉冲激光清洗实验的对比，研究了激光去除橡胶的清洗效果、清洗效率和清洗机理。结果表明，复合激光清洗后，清洁率可达95%，且样品表面几乎无损伤。在清洗阶段，样品表面表现出疏水性，有利于提高跑道在潮湿天气条件下的耐久性和防滑性。此外，表面微粗糙度显著增加，有助于提高跑道在低速下的防滑性能。在相同的激光参数下，复合激光的清洗效率比连续波激光和脉冲激光单独清洗效率之和高出13.2%。通过对激光清洗机理的分析，发现三种激光去除橡胶的主要机理均为烧蚀和等离子体冲击。复合激光清洗效率的提升机理主要归因于激光能量利用率的提高，具体包括更高的能量吸收效率和较弱的等离子体屏蔽效应。
引言
机场跑道是飞机起降的通道，对保障这些操作的安全性和稳定性至关重要，对飞行安全具有重大影响。然而，在起降过程中，轮胎与跑道之间的剧烈摩擦会产生高温，导致轮胎中的橡胶颗粒熔化并附着在跑道表面纹理上。随着起降次数的增加，跑道表面的橡胶残留物逐渐累积，形成"橡胶沉积物"[1], [2]，如图1所示。这些橡胶沉积物填满了跑道的表面纹理，显著降低了跑道摩擦系数，导致飞机制动距离延长。特别是在潮湿条件下，轮胎与橡胶沉积物之间的附着力进一步降低了摩擦力，增加了飞机冲出机场跑道的风险[3]。因此，通常需要对跑道表面的橡胶沉积物进行定期清除，以确保跑道安全。目前，跑道橡胶清除最广泛使用的方法是高压水射流法。然而，虽然高压水射流法能够去除橡胶沉积物，但它有明显的缺点。一方面，高压水射流法容易损坏跑道表面纹理，降低摩擦系数。另一方面，其应用受环境条件限制，在低温环境下使用时容易导致跑道表面结冰[4]。在这一背景下，激光清洗技术开始引起关注。激光清洗被誉为"21世纪最有前景的绿色清洗技术"。其清洗过程环保无污染。通过控制激光参数和扫描参数，可以实现无损清洗——在不损坏跑道表面的情况下去除机场跑道表面的橡胶沉积物。此外，激光清洗的使用不受环境条件限制[5], [6], [7]。因此，激光清洗技术在机场跑道橡胶沉积物清除方面具有巨大的应用潜力。
目前，激光清洗按能量场类型可分为单能量场激光清洗和复合能量场激光清洗。单能量场激光清洗是指使用单一类型激光进行清洗的过程。例如，Zeng[8]使用单连续波激光去除Ti6Al4V合金表面的涂层。Li[9]使用单纳秒脉冲激光清洁钛合金表面的氧化膜。复合能量场激光清洗包括液体或气体辅助激光清洗，以及结合多种类型激光的混合方法。例如，Hyun[10]使用液体辅助激光清洗去除纳米颗粒。通过揭示能从硅表面去除的最小颗粒尺寸，他们评估了液体辅助清洗技术在纳米颗粒去除方面的潜力。Zhang[11]使用高速气体辅助激光清洗去除7075铝合金表面的复合涂层。该方法显著降低了等离子体屏蔽效应，增强了冲击波对涂层的机械冲击作用，从而提高了涂层去除效率。Li[12]使用连续波激光和脉冲激光的复合激光清洁飞机蒙皮。结果表明，在复合激光能量场中，连续波激光实现了快速高效的清洗，而残留的烧蚀副产物在极短时间内通过纳秒脉冲激光的烧蚀冲击被有效去除，从而提高了清洗质量。这些研究[10], [11], [12], [13], [14]表明，对于某些清洗目标，应用适当的复合能量场激光清洗方法可以有效提高清洗质量和效率，优于单一激光。基于这些优势，虽然目前对复合能量场激光清洗的研究相对有限，但预计未来将逐渐成为激光清洗研究的重要方向。
在激光清洗技术的应用中，目前的研究主要集中在涂层去除、除锈和氧化膜去除等领域[15], [16], [17]。关于橡胶层去除的研究相对较少。此外，由于基底和待去除橡胶层的成分差异，相应的最优工艺参数和去除机理也有所不同[18], [19], [20]。关于机场跑道激光去除橡胶沉积物，Zhu[4], [21]已经验证了跑道激光清洗的可行性。然而，由于激光设备的功率限制，目前激光去除橡胶的效率低于传统方法，需要使用复合能量场来进一步提高清洗效率。Zhu[4]的研究发现，机场跑道激光去除橡胶主要依靠热烧蚀机理，而液体辅助激光清洗降低了激光去除过程中的温度，限制了烧蚀反应，导致橡胶去除效率不如单能量场激光清洗。因此，液体辅助激光清洗不适合用于跑道橡胶去除。相比之下，Ding[22]的研究发现，结合连续激光和脉冲激光的复合能量场可以通过连续激光的作用使材料表层保持高温，从而增强脉冲激光的烧蚀效果，有利于提高机场跑道激光去除橡胶的效率。这表明，与液体-激光复合能量场激光清洗相比，连续波激光和脉冲激光的复合能量场应更适合提高激光去除橡胶效率。关于连续波-脉冲复合激光去除橡胶，Liu[23]已进行了相关研究。然而，他们的研究主要关注激光去除橡胶的能量阈值，未涉及清洗效率问题，也未分析激光清洗后样品表面性能的变化。同时，他们研究中使用的最大激光功率相对较低，且未考虑扫描参数，这与实际应用场景中的参数设置存在显著差异。针对这些问题，有必要对复合激光去除橡胶进行进一步研究。
基于此，我们针对连续波-脉冲复合激光（简称"复合激光"）清洗技术去除机场跑道橡胶沉积物的清洗效率和清洗效果问题进行了研究。首先，进行复合激光清洗实验，以连续波激光清洗和脉冲激光清洗实验作为对照组。分析清洗后样品的表面清洁率和损伤程度，研究各因素对激光清洗效果的影响，确定最佳清洗参数。其次，分析不同清洗状态下样品的表面微观结构、元素组成、润湿性和粗糙度，探索激光清洗后样品形貌、元素和性能的变化。最后，通过实时记录激光去除橡胶过程，分析该过程的动态行为和清洗机理。本研究结果将为后续连续波-脉冲复合激光清洗的研究和应用提供参考。此外，对于解决机场跑道激光去除橡胶清洗效率不足的问题以及推动激光清洗技术在航空领域的工程应用具有重要的现实意义。
各章节摘要
材料
测试样品取自中国深圳宝安机场跑道接地区域。所有测试样品均取自该区域，橡胶沉积程度和混凝土老化状况基本一致。使用混凝土芯样钻机从跑道上取出带有橡胶沉积物的混凝土块，然后切割成1 cm × 1 cm × 1 cm的尺寸，如图2(a)和(b)所示。使用小尺寸样品的优点不仅有助于
清洁率和损伤程度分析
激光清洗后，样品的清洗效果主要通过清洁率和损伤程度来表征。为了更直观地反映清洁率和损伤程度的变化，需要对清洁率和损伤程度进行定量分析。清洁率的量化方法如下：首先，对显微镜图像进行阈值分割以获得二值图像，结果如图5(a)-(b)所示，然后，使用Image Pro Plus
不同激光清洗效率和质量的对比
复合激光清洗相比连续波激光清洗和脉冲激光清洗的最大优势在于清洗效率的提高。为了直观反映三种激光清洗方式在清洗效率方面的差异，本文对其清洗效率和相应的清洗质量进行了全面对比。对于清洗效率的对比，需要保持三种激光类型的激光参数相同，
结论
本研究采用连续波-脉冲复合激光能量场去除机场跑道表面的橡胶沉积物。通过清洗过程实验，分析了复合激光、连续波激光和脉冲激光清洗的清洁率、损伤程度、典型形貌特征、元素变化、润湿性和粗糙度。最后，讨论了三种激光清洗方法的清洗效率和清洗质量，以及
CRediT作者贡献声明
杜子豪： 撰写 – 初稿，形式分析，数据整理。朱国栋： 形式分析，数据整理。苏璇： 验证，监督。许杰： 监督，项目管理。郭斌： 项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究受到国家自然科学基金（资助编号：U2133214）的支持。
杜子豪|朱国栋|苏璇|许杰|郭斌
