POEM 2026 | 基于SPPs模式的热应力诱导的整体剥离策略在对黄金、白银和铜质文物进行激光清洗时的优化应用
2026年9月8日，四川大学考古科学中心、电子信息学院冯国英教授团队在国际光电子会议Proc. SPIE 14306, 17th International Photonics and Optoelectronic Meetings (POEM 2026)发表题为“SPP-based thermal stress-induced integral peeling strategy for optimized laser cleaning on gold, silver, and copper cultural relics”的研究成果。该论文由四川大学电子信息学院光学工程博士生刘佳敏为第一作者，冯国英教授为通讯作者，合作作者包括电子信息学院袁晨源、吴杰博士研究生，考古科学中心教授原海兵。提出了基于SPPs（表面等离子体波）的热应力诱导的整体剥离(SPPs-TSIP)策略，用于对金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)基底文物进行激光干式清洗的方法。基于表面等离子体共振(SPPs)的这种热应力诱导的整体剥离策略的创新性和价值在于：1）它提供了一种新的概念，并为最佳激光清洗带来了新的物理学原理；2）模式振幅点（最高模式值点）总是出现在界面处以剥离污垢，这还可以通过更低的清洗阈值增强基底振动；3）污垢层整体且彻底地被剥离，从而节省激光能量，并防止二次污染；4）与空间光情况不同，这种策略不会因从污垢层到界面的穿透而产生能量耗散和衰减。
在紫外线波段，光与物质的相互作用显著增强，呈现出有趣的吸收效率谱。这些谱显示了复杂的相位色散现象，在反常色散区域（例如λ ~ 370纳米），这导致污垢层的负损耗贡献(–10.9%)。大部分激光能量被金属基底吸收，增强了基底的振动能量利用率，可使能量损耗率降低。其模场提供了证据表明表面波沿着界面传播，并用匹配的物理机制解释了损耗机制。清洗阈值分别为：对于金基底为53.2毫焦/平方厘米，对于银基底为57.8毫焦/平方厘米，对于铜基底为109.7毫焦/平方厘米。相应的损伤阈值为：0.298焦耳/平方厘米，0.236焦耳/平方厘米，或0.497焦耳/平方厘米。我们相信这种新的激光清洗概念能够为未来金属文物的激光清洗效率提升铺平道路，并为考古学中的遗产保护提供一种更安全的方法。
1.模型图
从理论上讲，金属文物表面的污层可能足够厚，以至于其内部之外的光学物理条件不存在边界限制。因此，物理机制呈现出如图1(a)所示的两层结构。金、银和铜的热、光学和力学参数如表1所示。
表1金、银、铜基底的热学、光学和力学参数
图1(b)展示了在355纳米波长下银基底的模拟结果。表面等离子体激元模式可以传播约10纳米，且吸收效率很高。
图1 (a)两层金属（金、银和铜）文物的理论结构：n1为污垢层，n2为金属层。(b)在355纳米波长下对银基底的全波模拟。
2.光-物质相互作用分析：
2.1金基底上SPPs模式的特性
如图2所示：当SPPs模式沿着金-杂污界面传播时，光-金和光-杂污的相互作用相互妥协。最高模式损耗(MPA)发生在λ = 69纳米处，其值为1293.5分贝/微米。在紫外波段（λ = 10至400纳米）的吸收明显更好，并显示出一些由复杂的光-金相互作用引起的较小峰值。在紫外波段，由于光子能量较高，当电子吸收光子时，金属内电子的带间跃迁会发生，这导致非常高的光-金属相互作用。
图2(a)覆盖有污垢（物理厚度无限大）的金基文物的吸收效率光谱。带有虚线标记的图注展示了相应的有效模式指数Neff。(b)对于金文物而言，污垢（黑色线条）和金属基底（红色虚线）在激光波长下的吸收比随波长的变化情况。
相应的模式有效折射率Neff结果显示出非常复杂的相位色散。在某些段落中，Neff随波长的增加而增加，这些段落是反常色散区域。如图2(b)所示，对于大多数紫外线范围，金属基底的吸收率明显高于污垢。从污垢吸收率的低谷处，我们可以看到污垢显示出负损耗贡献。对于金基底，污垢的负损耗贡献发生在λ =（50 ~ 73纳米）的尺度上，在λ = 70纳米时达到最高值–8.1%。负损耗贡献的尺度与反常色散区域完美匹配，这告诉我们污垢层的负损耗贡献是由高深光-金属相互作用的反常色散引起的。在负损耗贡献尺度上，根据理论，金属的吸收率高于100%，而在实际中光-基底相互作用得到了增强。
2.2银基底上SPPs模式的特性
同样地，我们为银基底情况推导出了MPA、Neff和损耗贡献比率，如图3所示。最高吸光度出现在λ = 50纳米处，数值为1557.0分贝/微米。另外三个较低的吸收峰值分别出现在λ = 120、250和370纳米处，其数值分别为389.8、240.3和268.4分贝/微米。
图3 (a)银文物的MPA（主图）和Neff（插图）谱图，以及(b)吸收率谱图。
银文物的反常色散区域出现在λ =（45 ~ 55纳米）、（115 ~ 130纳米）、（230 ~ 265纳米）和（335 ~ 390纳米）处。所有的吸收峰都位于这些反常色散区域中，这些点表明更强的光-金属相互作用。其杂污负损耗贡献的范围为λ =（40 ~ 50纳米）、（115 ~ 120纳米）、（230 ~ 255纳米）和（325 ~ 375纳米），在λ = 370纳米处达到最高值–10.9%；所有负损耗贡献范围完全匹配在反常色散区域中。污物的损耗贡献通过几个峰增强，并且在可见光范围内高于基底，在紫外范围内低于基底。
2.3铜基底上SPPs模式的特性
铜文物的最高MPA出现在λ = 95纳米处，值为503.7分贝/微米，如图4(a)所示。
图4铜文物的 MPA (a)、Neff（图中插图）以及吸收率(b)。
铜外壳的最低Neff系数出现在λ = 75纳米处，值为0.35。负损耗贡献范围为λ = (75 ~ 110纳米)和(135 ~ 170纳米)，其中在λ = 95纳米处的最高值为–7.0%。从图4(b)可以看出，在这种情况下光与污渍的相互作用得到了增强。
3. SPPs模式物理机制
污垢层和金属基底吸收激光能量，导致温度迅速升高并产生热应力。当污垢层与基底之间的热应力超过污垢层的附着力时，污垢层就会脱落。我们推导出模式场分布，以讨论这种SPPs模式的能量吸收机制，如图5所示。
图5的主平面展示了在λ = 370纳米、关断状态（黑色线）和开启状态（红色虚线）下，对于银基底的Hy电场情况，即污垢层的最大负损耗贡献(–10.9%)点。我们可以看到，振幅点总是出现在界面处(x = 0)，左侧是金属基底(x < 0)，右侧是污垢层(x > 0)。开启状态条件比关断状态条件导致更好的模式约束，这就是MPA在开启状态条件下更大的原因，并且存在污垢材料的负损耗贡献。插图展示了在λ = 355纳米下银、金和铜基底的关断状态Hy电场。我们可以看到，最高场值总是出现在界面处(x = 0)，铜的情况在束缚性能方面略优于金和银的情况。银的情况显然表现出更强的光与金属的相互作用，这是因为其场分布更集中于金属材料（在金属基底中的穿透深度更大）。
图5在波长为370纳米时，银基底的横向磁场（Hy）分布情况，其中污垢损耗关断状态（黑色线条）和开启状态（红色虚线）有所区别。图中插图展示了波长为355纳米时的情况，分别对应银（黑色线条）、金（红色虚线）和铜（蓝色虚点线）基底。
4.基于SPPs的热应力诱导整体剥离策略(SPP-TSIP)
随着激光能量密度的增加，热应力效应显著增强，并且对于空间光激光清洗而言，消融效应与热应力效应之间存在竞争关系。利用参考文献中的模型以及表1中的参数，我们推导出了在波长为355纳米时基板（金、银和铜）的温度和热应力，如图6所示。
图6金、银和铜基底的(a)温度，以及(b)热应力随激光能量密度的变化情况。
从图6(a)和(b)中，我们可以得知金、银和铜基底的熔点（基底损坏阈值）分别为（0.298焦耳/平方厘米，1064℃）、（0.236焦耳/平方厘米，961.93℃）和（0.497焦耳/平方厘米，1083.4℃）；以及剥离点（清洗阈值）分别为53.2毫焦/平方厘米、57.8毫焦/平方厘米和 109.7毫焦/平方厘米，分别对应金、银和铜基底。
5.论文结论
我们提出了一种利用基于波导的表面等离子体共振模式来实现热应力诱导的整体剥离策略，用于对金、银和铜材质的文物进行激光清洗。在紫外线波段，光与物质的相互作用明显优于在可见光波段。相应的Neff结果显示出非常复杂的相位色散，这导致在反常色散区域中污垢层的负损耗贡献。在较大的波长范围内，大部分激光能量被金属基底吸收，这能够增强基底振动，从而降低清洗阈值：对于金、银或铜基底其清洗阈值分别为53.2毫焦/平方厘米、57.8毫焦/平方厘米或109.7毫焦/平方厘米。相应的损伤阈值为0.298焦耳/平方厘米、0.236焦耳/平方厘米或0.497焦耳/平方厘米。场分布显示表面波沿着界面传播，具有最高场值，并通过匹配的物理机制解释了损耗机制。我们认为这种新的激光清洗概念能够极大地提高未来金属文物激光清洗应用的效率。