略谈激光清洗技术在文物保护中的应用

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1、略谈激光清洗技术在文物保护中的应用［摘要］当前，文物保护修复中运用激光技术在我国尚属起步阶段。我国文物古迹众多，将激光技术用于保护修复领域，能起到很大作用。本文简单介绍了激光的原理和激光在文物修复过程屮的实际应用情况。［关键词］激光清洗技术；石质文物；修复与保护［中图分类号1G264.3［文献标识码］A［文章编号11005-3115(2011)014-0119-02一、激光淸洗技术简介激光技术在众多领域有着广泛的应用，如工业制造、医疗、军事、科学探测、商业、娱乐业等。国外在20个世纪七八十年代就开始将激光用于艺术品表面清洗，随后尝试用于文物表面杂物的清洁，一般在石质文物方

2、面用的较多。当前，许多国家如法国、美国、英国、希腊、意大利等，都开展了激光技术在文物修复方面的运用，我国还处于起始研究阶段。目前，国外在激光清洗技术的发展和研究方面，其技术参数和机理方血的研究逐渐减少，技术应用的研究占了主导地位。在实际应用中展示了激光技术的优越性，同时，激光清洗的配套设备也比过去更加完善，其中YAG激光器在文物修复和艺术品保护方面的应用明显多于在其他方面的应用。传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。通常,这些清洗方法在环境保护和高精度要求方面受到限制，如机械方法无法满足高清洁度清洗要求，而化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有

3、限，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面清洁度的要求。尽管超声波清洗法清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗却表现得无能为力，同时，清洗槽的尺寸也限制了清洗对象的范围和复杂程度，而且清洗后的文物需要快速干燥亦是一大难题。令人欣慰的是，激光清洗技术以自身的许多优点弥补了传统清洗方法的不足。二、激光清洗技术的工作原理及机理激光清洗技术是釆用高能激光束照射物体表面使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程。激光器通常由谐振器、光源发生器、冷却器三部分组成，其工作原理为：由激光器发射一种单色性很强、能量高度集中并朝着单一方向发射

4、的光，再由谐振器引出臂式或光缆式连接激光头，清洗工作主要通过调整激光头完成。因为激光是一种单色性和方向性都很好的光辐射，所以通过镜组合可以聚焦光束，把光束集屮到一个很小的范围或区域屮。正确掌控激光光束即能显现清洗效果。下文以石质文物为例，具体说明激光清洗的工作机理。因为石质文物表面的污物和石材是以弱化学作用力和物理作用力结合的。弱化学作用力包括氢键和电荷转移形成的键能等，物理作用力包括范德华力（包括静电、诱导和色散作用）以及毛细作用力等。此外，石材比其他材料更难清洗的原因是由于天然石材存在的大量微孔隙，微孔隙的毛细作用力不仅使污物与石材之间的各种结合力得到了增强，同时，其

5、包裹作用也使各种清洗的外力难以发挥作用。当激光束射于物体表面，至少可以产生三个方面的作用：一是会在固体表血产生力学共振现象，使表层或凝结物碎裂脱落；二是会使表面垢层受膨胀而克服基体物质对污垢粒子的吸附力而脱离物体表面；三是在瞬间使污垢分子蒸发、汽化或分解。激光清洗技术就是利用激光脉冲的振动、粒子的热膨胀、分子的光分解或相变三种作用或联合作用克服污物与基体物质表面之间的结合力，使污物脱离物体表面而达到清洗的目的。根据被清洗基体物质与污物的光学特性分析，又可将激光清洗机理分为两类：一是利用基体物质与表面附着的污垢对某一波长激光能量的吸收系数的差别，使激光能量充分被附着的污物所

6、吸收，从而受热膨胀或汽化挥发，并被汽化形成的蒸汽流带动脱离基体物质而达到清洗的目的，其要求是基体物质对激光能量的吸收系数要小，使表面污垢受膨胀后而克服基体物质对污垢粒子的吸附力而才不至于被损伤。因此，实现安全高效清洗的关键是选择合适的激光波长并控制适度的能量密度。二是对于基体物质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的清洗，通常是利用较高频率和功率的脉冲激光冲击被清洗的表面，使部分光束转换成声波，声波在冲击中下层硬表面以后返回,其返回的部分与激光产生的声波发生干涉，从而产生高能共振波，使污垢层发生微小爆裂，造成粉碎，易于脱离基体物

7、质表面。三、激光清洗技术在文物修复屮的应用激光清洗是利用激光光源来将物体表面的物质除去使其剥离（消溶）。通常用于文物清洗的激光器有三个波长：1064纳米、532纳米、355纳米,有序地选择光波的长短能避免物体表面损害，正确方法是选择激光的参数。在具体操作时，应先在文物样品上选择试验点，可以运用化学方法、机械方法，再用激光方法作对比。在进行激光清洗时，要明确先清洗部分和后清洗部分，在同一个地方试用一两个脉冲，还耍调整能量。比如石质上的色彩部分激光脉冲参数与石质材料不同，应当考虑激光能量大小和要面对文物材质的承受力。此外，对存留在