Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 2
Шрифт:
Помимо длины волны, другим важным выходным параметром любого лазера является мощность (энергия) излучения. Существенное значение имеет также и режим его работы: непрерывный (когда лазер испускает свет постоянно в течение всего времени своей работы) или импульсный (когда лазер генерирует отдельные вспышки света). В последнем случае для описания свойств лазерного излучения используют дополнительные параметры: длительность импульса (время отдельной световой вспышки), плотность энергии (отношение энергии импульса к площади облучаемой лазером поверхности) и частота повторения импульсов. Самый важный среди них – плотность энергии, которая измеряется в единицах Дж/см2 и при использовании лазера для очистки поверхности материалов определяет эффективность данного процесса.
В основе операций очистки (любых объектов) и сварки (предметов из металлов) лежат теплофизические явления взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, на которых основано большинство технологических применений лазеров, а именно: нагрев, плавление и испарение.
Лазерная очистка представляет собой процесс удаления частиц загрязняющего вещества с поверхности обрабатываемого объекта в результате поглощения им высокоинтенсивного света лазера. Физическая природа этого явления довольно сложна, но большинство специалистов сходятся во мнении, что в его основе лежит процесс испарения. В лазерной физике испарение вещества под действием лазера называют фото абляцией (от греческого (pcoc – свет и позднелатинского ablatio – отнятие). Различают два вида фотоабляции: фототермическую и фотохимическую. При очистке камня и металлов удаление загрязнений происходит в основном в результате термической фотоабляции, а при очистке произведений живописи, напротив, преобладают процессы фотохимической абляции. В обоих случаях, для того чтобы при лазерной очистке происходило испарение только поверхностных загрязнений без повреждений материала самого объекта, нужно учитывать его физико-химические и оптические свойства, что приводит к необходимости применения вполне определенных типов лазеров и их технических характеристик.
В отличие от лазерной очистки, для проведения операции сварки нужно использовать такие типы лазеров и их выходные параметры, которые позволяют обеспечить эффективный локальный разогрев материала реставрируемого объекта, сопровождающийся его плавлением (но без испарения вещества).
Более подробную информацию о физических аспектах лазерной сварки и очистки произведений искусства заинтересованный читатель может получить, обратившись к изданиям и статьям на эту тему [7, 8, 18, 19].
Данная область применения лазерной техники включает очистку поверхности произведений искусства из различных материалов и микросварку металлических объектов (в т. ч. ювелирных изделий из драгоценных металлов).
1. Лазерная очистка
Лазерная очистка служит для удаления всевозможных загрязнений и природных наслоений (гипсовых корок, очагов коррозии, биологических пленок, минеральных частиц, штукатурки, краски и проч.) с поверхности памятников и других произведений искусства, а также фасадов зданий и археологических объектов. Лазерная очистка – это полностью контролируемый и селективный процесс, при котором под воздействием лазера с поверхности памятника удаляются только «инородные» слои, а сам мате риал памятника остается нетронутым. Как уже говорилось выше, селективность воздействия обеспечивается правильным выбором типа лазера и его выходных параметров. В этом случае по мере испарения слоев загрязнений (интенсивно поглощающих свет лазера) лазерный пучок постепенно достигает поверхности памятника (которая почти не поглощает лазерное излучение), после чего его дальнейшее воздействие самопроизвольно прекращается (см. рис. 1).
Это выгодно отличает лазерную очистку от, например, химической обработки, когда неконтролируемому воздействию химического реагента подвергается не только область обработки, но и вся прилегающая часть поверхности объекта (которая чаще всего не нуждается в очистке). В этом заключается принципиальное отличие лазерной очистки от традиционных методов реставрации (механических и химических) – лазерная обработка является наиболее щадящей технологией, которая позволяет эффективно удалять даже самые стойкие загрязнения и при этом не только не нарушать микрорельеф поверхности памятника, но и сохранять оригинальную (авторскую) патину.
В настоящее время наиболее отработана технология лазерной очистки камня (мрамора, песчаника, известняка, гранита и некоторых других горных пород). При реставрации таких объектов полностью доказана высокая эффективность и «деликатность» лазерной обработки. В частности, на примере многих работ было показано, что при помощи лазера можно производить очистку каменных памятников даже с сохранением имеющихся на их поверхности полихромных покрытий и позолоты. Среди таких работ можно упомянуть, в частности, реставрацию скульптурной группы «Четыре святых мученика» из мрамора («Santi Quattro Coronati», скульптор – Н. Банко, музей Орсканмикеле, г. Флоренция, Италия) (ил. 1). На ней были обнаружены и сохранены в процессе очистки следы золочения [9].
Рис. 1. Принцип лазерной очистки
Заметим, что технология очистки камня довольно проста, и ею легко могут овладеть реставраторы, не имеющие специальных знаний в области физики. Благодаря этому, очистка камня с помощью лазера получила очень широкое распространение и сегодня постоянно используется более чем в 150 реставрационных центрах и лабораториях во всем мире.
Другая важная область применения лазерной очистки – реставрация объектов культурного и исторического наследия из металлов. Основные объекты реставрации в этом случае – всевозможные изделия из железа (например, археологические артефакты, обнаруженные в земле и под водой), меди и бронзы (оружие, монеты, посуда). Нужно особо подчеркнуть возможность применения лазерной очистки для решения одной из самых сложных задач реставрации – очистки позолоченной бронзы. В этом случае при помощи лазера можно не только удалять следы коррозии меди и поверхностные загрязнения (инкрустации из гипса и кварца, пленки из растворимых солей меди: сульфитов, хлоридов и нитритов), но и сохранять оригинальный слой позолоты. Самые примечательные примеры работ в этой области – реставрация подлинных шедевров эпохи Возрождения в Италии: ворот баптистерия собора Санта Мария дель Фьоре (скульптор Л. Гиберти, ил. 2) [10], а также скульптур Давида (скульптор А. Вероккио)
[11] и Аттиса (скульптор Донателло) из Национального музея Барджелло (г. Флоренция) [12].
Известно также много удачных примеров использования лазера для реставрации произведений живописи (картин, икон и фресок – см. ил. 3) [7, 13], предметов из органических материалов (дерева, кости, бумаги, кожи, ткани, пергамента) [7, 14], стекла и керамики [7, 15], а также при восстановлении дагеротипов [16]. Однако, несмотря на ряд отдельных очень хороших результатов, данные способы применения лазера все еще находятся в стадии апробации и требуют дальнейшей экспериментальной проверки и отработки технологии.
Подводя итог обсуждению метода лазерной очистки, перечислим основные его достоинства.
1. Отсутствие механического контакта инструмента с обрабатываемым объектом;
2. Высокая скорость обработки;
3. Высокая селективность процесса очистки, исключающая возможность повреждения материала памятника;
4. Ограниченная область воздействия;
5. Возможность мгновенного прекращения процесса очистки;
6. Отсутствие негативного воздействия на окружающую среду (минимальное количество пыли и полное отсутствие агрессивных химических веществ).
В заключение этого параграфа нужно упомянуть еще одну поистине уникальную возможность технологии лазерной очистки. В недавних работах итальянских специалистов была продемонстрирована возможность выполнения этой операции под водой [17]. Совершенно очевидно, что в перспективе это делает возможным проведение работ по реставрации подводных археологических памятников (в т. ч. на больших глубинах!).
2. Лазерная сварка
Лазерная сварка как метод реставрации металлических объектов позволяет получать качественные, прочные сварные соединения без обширного нагрева поверхности и использования химически активных флюсов и дорогостоящих припоев [18]. Это дает ей неоспоримое преимущество перед традиционными методами пайки, которые невозможно использовать при работе со сложными, комбинированными объектами, поскольку из-за неконтролируемого воздействия высокой температуры существует реальная угроза их повреждения и даже гибели. К числу таких объектов относятся, в частности, произведения искусства с декоративными покрытиями (золочением, серебрением), инкрустацией и неразборными вставками из эмалей и драгоценных камней. Одним из самых эффектных примеров реставрации подобных предметов является восстановление дарохранительницы Св. Игнатия XVII в. из г. Палермо (Италия), в ходе которой при помощи лазерной сварки удалось соединить в единое целое более 300 мелких разрозненных фрагментов из золота, серебра и драгоценных камней [19].