由于物体表面附着物的成分和结构复杂，激光与之作用的机理也各不相同，用于对此作解释最常用的理论模型有以下几种：

1.光气化/光分解

激光器产生的激光，经过光学系统的聚光可以实现能量的高度集中，聚焦后的激光束在焦点附近可产生几千度甚至几万度的高温，使物体表面附着物瞬间气化或分解。

2.光剥离

通过激光的作用使物体表面附着物受热膨胀，当物体表面附着物的膨胀力大于其与基体之间的吸附力时，物体表面附着物便会从物体的表面脱离。

3.光振动

利用较高频率和功率的脉冲激光冲击物体的表面，在物体表面产生超声波，超声波在冲击中下层硬表面以后返回，与入射声波发生干涉，从而产生高能共振波，使污垢发生微小爆裂、粉碎、脱离基体物质表面，当物体与表面附着物对激光束的吸收系数差别不大，或者表面附着物受热后会产生有毒物质等情况时，可以选用这种清洗手段。

目前，激光清洗设备的结构并没有统一的标准，需要根据实际的清洗方法、基材和污物的种类、清洗要求的效果等因素来决定，但是，它们在一些基本的结构上还是大致相同的，主要包括激光器、移动平台、实时监测系统、半/自动控制操作系统及其他辅助系统等部分。