如何高效、无损地清除石质文物古迹表面的污染层,一直是文物保护领域的难点之一。激光清洗技术具有选择性强、无机械接触、安全性高、对环境污染小及适用范围广泛等优点,是石质文物保护领域中的研究热点。石膏黑壳作为花岗岩文物中最严重的变质形式之一,传统的激光烧蚀技术在清洗过程中极易对花岗岩基底产生不可逆的损伤。在此背景下,本论文开展了基于热应力剥离花岗岩表面黑色结壳的激光无损清洗技术研究,主要研究内容和结果如下:1.基于热传导和热应力方程建立了激光热源移动下的双层清洗模型,分析了石膏黑壳污染层中的温度和热应力分布。提出了石膏黑壳污染层的剥离条件:当花岗岩与石膏黑壳结合面上的最大拉应力大于结合面的粘附强度或最大剪应力大于结合面的剪切强度时,石膏黑壳能被无损剥离。模拟了激光脉冲宽度、重复频率、激光功率、扫描速度等参数对清洗效果的影响,结果表明:脉冲宽度和重复频率的数倍变化对清洗能力的影响极小;激光功率越大、扫描速度越小,在结合面上产生的热应力也越大,清洗能力越强。2.搭建了激光清洗实验平台,利用高重频1064 nm纳秒级脉冲光纤激光并结合光学显微镜、共聚焦显微镜开展了平整花岗岩表面石膏黑壳污染层的激光清洗工艺参数实验研究。结果表明:石膏黑壳需要在具有一定光斑重叠率的激光扫描方式下才能被剥离,当扫描速度为120 mm/s,光斑重叠率Oy为80%,脉冲宽度为200 ns,重复频率为100 kHz时石膏黑壳完整剥离的清洗阈值为0.057 J/cm2,花岗岩的损伤阈值为0.115 J/cm2。同时,研究了激光功率、脉冲宽度、脉冲重复频率以及扫描速度等参数对清洗效果的影响规律,与理论模型结果相一致,并获得了最高清洗效率参数:激光功率100 W,扫描速度360 mm/s,光斑半径0.5 mm,扫描间距0.2 mm,脉冲宽度为200 ns,重复频率为100 kHz。3.采用光学显微镜、扫描电子显微镜以及能量色散X射线光谱仪开展了粗糙花岗岩表面石膏黑壳污染层的清洗效果评估。结果表明:当扫描速度为240 mm/s,光斑重叠率Oy为90%,能量密度达到0.051 J/cm2时,花岗岩表面的孔隙、穿晶裂隙及断层区域中的石膏存在有微小残留,但粗糙面上的石膏黑壳基本被全部去除,达到了无损清洗的目的。本论文基于热应力清洗开展了在不损伤花岗岩基底的前提下去除花岗岩表面石膏黑壳的研究,对于花岗岩石质文物的清洗及保护具有重要的应用价值。