Лазерная очистка камня Принципы, методы, эксперименты Материалы Мрамор

Лазерная очистка камня Принципы, методы, эксперименты

Материалы Мрамор (Vassilis Zafiropulos) Известняк (Martin Cooper) Песчаник Гипс Терракота Штукатурка Эксперименты по лазерной очистке проводились со всеми перечисленными материалами, но наиболее развита технология очистки мрамора и известняка.

Мрамор Один из основных материалов в европейской истории, впервые подвержен лазерной очистке в 1970-х (Asmus) Основным инструментом для обработки произведений искусства из мрамора является Nd:YAG Для очистки используются 3 гармоники этого лазера: Основная частота генерации – 1064 nm Вторая гармоника – 532 nm (зеленый) Третья гармоника – 355 nm (ультрафиолет) Содержит различные составляющие, основной компонент CaCO3

Виды и состав загрязнений Толстый черный слой (корка) порядка 2 мм, состоит из 2-х типов гипса (слоистый и микрокристаллический), имеются углеродистые частицы Тонкий черный слой порядка 20-200 микрон, внутренний слой – микрокристаллический гипс, верхний слой – аморфный окрашенный Биогенный слой образован колониями различных организмов и микроорганизмов – бактерии, лишайники, грибки

Идея саморегулируемого воздействия Впервые наблюдалась Асмусом при использовании рубинового лазера Слой загрязнения поглощает эффективнее и эффективнее удаляется. Поверхность мрамора поглощает меньше – скорость абляции уменьшается.

Идея саморегулируемого воздействия Проблема подбора дозы облучения и длины волны, эффективно реализующих саморегуляцию Таблица: Пороговые дозы облучения (Дж/см2) Для обеих длин волн и для всех типов загрязнений порог меньше чем для мрамора

Сравнение длин волн Наибольшая разница для 1064 nm наилучшая с точки зрения саморегуляции длина волны, однако для био-загрязнений порог меньше для 355 nm Исследования показывают, что использование 3-й гармоники оказывается более эффективно при удалении тонкого черного и биогенного слоев. Однако основная длина волны предпочтительнее для удаления толстого черного слоя

Микрофотографии для толстого черного 1064 nm, 2.0 Дж/см2 355 nm, 0.6 Дж/см2

Микрофотографии для тонкого черного 1064 nm, 1.0 Дж/см2 355 nm, 0.45 Дж/см2

Микрофотографии для биогенного 1064 nm, 1.8 Дж/см2 355 nm, 0.8 Дж/см2

SEM: толстый темный до очистки 1064 nm, 2.0 Дж/см2 355 nm, 0.6 Дж/см2

SEM: тонкий темный 1064 nm, 1.0 Дж/см2 355 nm, 0.45 Дж/см2 до очистки

SEM: биогенный 1064 nm, 1.8 Дж/см2 355 nm, 0.8 Дж/см2 до очистки

Желтый оттенок Из предыдущего можно сделать вывод: Тонкий и толстый типы загрязнений могут быть легко удалены основной длиной волны, однако биогенный слой удаляется только при облучении 355 nm. При использовании основной длины волны наблюдается пожелтение мрамора, такого эффекта нет для 3-й гармоники Удаление толстого темного слоя предпочтительнее осуществлять основной длиной волны, т.к остается тонкий слой гипса, защищающий мрамор

Желтый оттенок Предположительно возникает из-за небольшого количества железа, которое часто присутствует на поверхности мрамора (Fe2O3 ржавчина) После облучения 1064 nm

Желтый оттенок После облучения 355 nm

Песчаник Кварцевый песок (SiO2) и глина, активно использовался и используется в центральной Европе Основными загрязняющими веществами являются углеродные частицы (дым) и оксид железа (ржавчина) Менее удобен для лазерной очистки, чем, например, мрамор. Обладает сложной структурой, компоненты которой имеют различные коэффициенты температурного расширения. Это приводит к повреждению поверхности в процессе лазерной абляции.

Песчаник Процесс очистки может сопровождаться смачиванием поверхности, что увеличивает эффективность удаления, но уменьшает качество (однородность) поверхности сухая поверхность мокрая поверхность

Коммерческие системы Palladio, Michelangelo, Raffaello, Leonardo