CN102500579A - 一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法 - Google Patents

一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法 Download PDF

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叶亚云
袁晓东
齐扬
程晓锋
王海军
栾晓雨
苗心向
秦朗
王洪彬
赵龙彪
贺群
马志强
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Abstract

本发明涉及一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法。本发明的激光清洗方法，在进行激光清洗前，先利用激光辐照与待清洗物材质相同的表面无污染的石质材料表面，得到了基底的损伤阈值，再使用低于此损伤阈值的激光清洗建筑石材或石质文物，避免清洗过程中有损伤发生的问题。使用氙灯泵浦的固体激光器或者激光二极管泵浦的固体激光器进行清洗，可解决当基底与表面污染物对激光的吸收系数差别不大时的清洗问题以及清洗效率低的问题。

Description

一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，具体涉及一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法。
背景技术
建筑石材或石质文物在长年累月的保存过程中，由于自然风化、人为活动、生物侵蚀、环境污染，使其表面出现了不同种类和程度的表面污染物。这些表面污染物不仅影响美观，其中的有害成分更严重威胁着建筑石材或石质文物的保存。而更换建筑石材，成本太高，石质文物更是无价之宝，因此，研究清除建筑石材或石质文物表面污染物的清洗技术具有重要的社会意义和较大的经济意义。
目前国内外建筑石材或石质文物表面污染物清除技术有化学清洗、蒸汽喷射清洗、粒子喷射清洗、激光清洗等。在各种清洗技术中，化学清洗的问题是难以判别残留物对石质物的远期影响，另外易造成环境污染。蒸汽喷射清洗技术的问题在于，用于表面已劣化的石质物时，会因为蒸汽的高温造成石质物内外热胀不均，导致应力破坏。粒子喷射清洗技术会严重磨损石质物的表层，特别是一些棱角部位。而激光清洗技术，其原理是利用高功率密度的激光束辐照石质物表面，使表面的污染物发生瞬间的碎裂、蒸发或剥离等效应，脱离物体表面，其特点是清洗效果好、非接触式、不污染环境、无残留、安全可靠、节水、可精确控制、适用面广、运行成本低，特别对于表面精细的石雕石刻，其优势是许多传统清洗工艺无法比拟的。
目前公开文献上所见的激光清洗石材的方法，其定义损伤阈值的方法是利用激光测试表面有污染物的石质物。一篇名为《定义损伤阈值防止在激光清洗Siena的上新世的砂岩中的边缘效应》（《Determination of damage thresholds to prevent side effects in laser cleaning of Pliocene sandstone of Siena》, Salvatora Siano, Francesca Fabiani, Roberto Pini, et al, J. Cult. Heritage, 2000, 1, S47~S53）的文章提出了利用激光辐照表面有污染物的石质物，得到损伤阈值。但是这种测试方法会由于石质物表面的污染物使得激光能量的一部分用于剥离表面污染物，其余部分才用于使石质物损伤，因而测得的损伤阈值并不是石质物基底本身的损伤阈值，这样在清洗过程中还是有损伤发生的可能。而对于石质物的清洗，特别是石质文物来说，安全为第一要素，在清洗过程中一定要避免损伤的发生。
另外，目前公开文献上所见的激光清洗装饰和石质文物的方法是利用掺钕的钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器进行清洗，其脉宽为纳米到微米量级，重复频率为几赫兹到几十赫兹，其清洗机理主要是利用石质物基底与表面污染物对使用激光的吸收系数有较大差别来清除污染物，当基底与表面污染物对激光的吸收系数差别不大时，清洗效果不佳，同时其重复频率不高，清洗效率较低。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法。
本发明的建筑石材或石质文物的激光清洗方法，依次包括如下步骤：
（1）待清洗物质损伤阈值的确定 
对激光器发出的激光进行调焦，使激光在与待清洗物质相同材质的表面无污染的石质材料表面上形成激光光斑，依次升高激光能量密度，发射激光，辐照石质材料表面不同位置，当材料表面出现损伤时的激光能量密度即为与待清洗物质相同材质的表面无污染的石质材料的损伤阈值，即为待清洗物质的损伤阈值。
（2）利用步骤（1）中相同的激光，用低于损伤阈值的激光能量密度，辐照待清洗的建筑石材或石质文物表面，将清洗后的区域与待清洗物表面未沾污部分进行比对，判断清洗效果，再依次清除待清洗物表面的污染物。
所述的激光器采用氙灯泵浦的固体激光器或者激光二极管泵浦的固体激光器。
所述的氙灯泵浦的固体激光器，激光波长为300nm~1100nm，激光脉冲能量为15mJ~2000 mJ，激光脉宽全宽度为6ns~500μs，激光重复频率为1Hz~20Hz。
所述的激光二极管泵浦的固体激光器，激光波长为300nm~1100nm，激光脉宽为20ps ~70ps，激光重复频率为100Hz~2000Hz，激光脉冲能量为1mJ~5 mJ。
所述的氙灯泵浦的固体激光器或激光二极管泵浦的固体激光器的激光在被辐照物表面上形成的激光光斑直径0.1mm~20mm，激光平均能量密度为0.1J/cm2~5 J/cm2。
所述的建筑石材或石质文物为砂岩表面的墨迹、烟熏污染物；进行清洗时，氙灯泵浦的固体激光器，激光波长1064nm，脉宽11.7ns，激光频率1Hz~10Hz，待清洗物表面激光光斑直径0.1mm~20mm；安全清除墨迹污染物使用的激光能量密度范围0.34 J/cm2~1.2 J/cm2，安全清除烟熏污染物使用的激光能量密度范围0.29 J/cm2~1.2 J/cm2。
本发明的建筑石材或石质文物的激光清洗方法的清洗机理是，利用石质物基底与表面污染物对所使用激光的吸收系数有较大差别来清除污染物，污染物对激光强吸收，基底对激光弱吸收，污染物在辐照过程中受热膨胀、碎裂脱落，或者受热温度升高、蒸发汽化，从而克服基底对污染物的吸附力脱离基底表面。激光二极管泵浦的固体激光器，激光脉宽窄，频率高，在激光辐照下待清洗物表面更易产生声表面波，声表面波一方面可使表面污染物振动，产生位移，脱离表面，另一方面声表面波传播到基底后返回的部分会与入射的部分发生干涉，产生共振，从而使污染物碎裂，脱离表面。在基底与表面污染物对激光吸收系数差别不大时，可产生较好的清洗效果，同时激光重复频率高，清洗效率高。
本发明的建筑石材或石质文物的激光清洗方法，可在激光辐照前在待辐照物表面喷涂一层薄液膜，对于清除石材表面的某些污染物，喷涂液膜可产生更好的清洗效果和更高的清洗效率，因此在清洗过程中，根据实际情况使用液膜。液膜采用不产生附加污染的液体。
本发明的有益效果是：提供一种安全高效的建筑石材或石质文物的激光清洗方法。本发明的激光清洗方法在激光清洗前，先利用激光测试与待清洗物材质相同的表面无污染物的石质材料表面，得到了基底的损伤阈值，再使用低于此损伤阈值的激光清洗待清洗物，避免清洗过程中有损伤发生的问题。同时，本发明的激光清洗方法使用氙灯泵浦的固体激光器或者激光二极管泵浦的固体激光器进行清洗，可解决当基底与表面污染物对激光的吸收系数差别不大时的清洗问题以及清洗效率低的问题。
具体实施方式
本发明的激光清洗方法选用Nd:YAG固体激光器清洗表面有墨迹污染的砂岩，激光波长1064nm，脉宽11.7ns，频率1Hz。对激光进行调焦，使样品表面的激光光斑直径为3mm。
以不同的激光能量密度的激光，辐照表面无污染的砂岩样品表面的不同位置，每个位置辐照10次。在激光辐照前后，利用Nikon ECLIPSE E600光学显微镜观察样品表面形貌以及利用电子天平的称重法来判断样品是否损伤。通过监测激光辐照前后样品表面形貌以及样品的重量变化，发现当激光能量密度为1.20J/cm2时，样品质量的损失量发生跳变，损失量约为0.11mg，同时，石材样品表面形貌开始发生变化。因此，1.20J/cm2为该激光参数下该样品的损伤阈值。
再利用此激光清洗表面有墨迹污染的砂岩，用低于1.20J/cm2的激光能量密度辐照待清洗物的不同位置，采用光学显微镜观察待清洗物在激光清洗前后的表面形貌，以此来判断清洗效果以及是否有损伤发生。结果发现当激光能量密度为0.34J/cm2时，开始有清洗效果，此值为清洗该样品表面墨迹污染物的清洗阈值。结合砂岩的损伤阈值，得到安全清洗墨迹污染物的激光能量密度范围为：0.34 J/cm2~1.2 J/cm2。利用此范围内的激光依次清除砂岩表面墨迹污染物。为提高清洗效率，可在激光辐照前，在待清洗物表面喷涂蒸馏水与乙醇的混合液。 

Claims (6)

1.一种建筑石材或石质文物的激光清洗方法，其特征在于依次包括如下步骤：
（1）待清洗物质损伤阈值的确定 
对激光器发出的激光进行调焦，使激光在与待清洗物质相同材质的表面无污染的石质材料表面上形成激光光斑，依次升高激光能量密度，发射激光，辐照石质材料表面不同位置，当材料表面出现损伤时的激光能量密度即为与待清洗物质相同材质的表面无污染的石质材料的损伤阈值，即为待清洗物质的损伤阈值；
（2）利用步骤（1）中相同的激光，用低于损伤阈值的激光能量密度，辐照待清洗的建筑石材或石质文物表面，将清洗后的区域与待清洗物表面未沾污部分进行比对，判断清洗效果，再依次清除待清洗物表面的污染物。
2.根据权利要求1所述的激光清洗方法，其特征在于：所述的激光器采用氙灯泵浦的固体激光器或者激光二极管泵浦的固体激光器。
3.根据权利要求2所述的激光清洗方法，其特征在于：所述的氙灯泵浦的固体激光器，激光波长为300nm～1100nm，激光脉冲能量为15mJ～2000 mJ，激光脉宽全宽度为6ns～500μs，激光重复频率为1Hz～20Hz。
4.根据权利要求2所述的激光清洗方法，其特征在于：所述的激光二极管泵浦的固体激光器，激光波长为300nm～1100nm，激光脉宽为20ps～70ps，激光重复频率为100Hz～2000Hz，激光脉冲能量为1mJ～5 mJ。
5.根据权利要求3或4所述的激光清洗方法，其特征在于：所述的氙灯泵浦的固体激光器或激光二极管泵浦的固体激光器的激光在被辐照物表面上形成的激光光斑直径0.1mm~20mm，激光平均能量密度为0.1J/cm2～5 J/cm2。
6.根据权利要求3所述的激光清洗方法，其特征在于：所述的建筑石材或石质文物为砂岩表面的墨迹、烟熏污染物；进行清洗时，氙灯泵浦的固体激光器，激光波长1064nm，脉宽11.7ns，激光频率1Hz～10Hz，待清洗物表面激光光斑直径0.1mm～20mm；安全清除墨迹污染物使用的激光能量密度范围0.34 J/cm2～1.2 J/cm2，安全清除烟熏污染物使用的激光能量密度范围0.29 J/cm2～1.2 J/cm2。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103063167A (zh) * 2012-12-28 2013-04-24 江苏大学 一种自动判断激光清洗效果的方法
CN109201567A (zh) * 2018-08-29 2019-01-15 海南省博物馆(海南省文物考古研究所） 一种海洋出水石质文物复合高效清洗方法
WO2020015380A1 (zh) * 2018-07-17 2020-01-23 苏州大学 激光清洗物体表面污染层的方法
CN113751432A (zh) * 2021-09-17 2021-12-07 宁波翔明激光科技有限公司 一种集成镜片洁净度检测装置的激光清洗头

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5151134A (en) * 1989-01-17 1992-09-29 Agence Regionale De Developpements Technologiques Method and a device for cleaning a surface with a laser
EP1340556A2 (en) * 2002-03-01 2003-09-03 Foundation for Research and Technology-Hellas (FO.R.T.H.), Institute of Electronic Structure and Laser A method and device for cleaning surfaces using temporarily coincidental laser pulses of two different wavelengths
US20060151432A1 (en) * 2002-09-26 2006-07-13 Brown Stephen C N Surface treatment of concrete
CN101143364A (zh) * 2007-10-08 2008-03-19 南开大学 超声检测窄脉宽激光除污机及其除污方法
CN201622245U (zh) * 2009-12-02 2010-11-03 西安工业大学 薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置
CN102218415A (zh) * 2011-03-10 2011-10-19 大连理工大学 一种真空紫外激光清洗托卡马克第一镜的方法及装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5151134A (en) * 1989-01-17 1992-09-29 Agence Regionale De Developpements Technologiques Method and a device for cleaning a surface with a laser
EP1340556A2 (en) * 2002-03-01 2003-09-03 Foundation for Research and Technology-Hellas (FO.R.T.H.), Institute of Electronic Structure and Laser A method and device for cleaning surfaces using temporarily coincidental laser pulses of two different wavelengths
US20060151432A1 (en) * 2002-09-26 2006-07-13 Brown Stephen C N Surface treatment of concrete
CN101143364A (zh) * 2007-10-08 2008-03-19 南开大学 超声检测窄脉宽激光除污机及其除污方法
CN201622245U (zh) * 2009-12-02 2010-11-03 西安工业大学 薄膜及光学元件激光损伤阈值组合测试装置
CN102218415A (zh) * 2011-03-10 2011-10-19 大连理工大学 一种真空紫外激光清洗托卡马克第一镜的方法及装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103063167A (zh) * 2012-12-28 2013-04-24 江苏大学 一种自动判断激光清洗效果的方法
CN103063167B (zh) * 2012-12-28 2015-11-18 江苏大学 一种自动判断激光清洗效果的方法
WO2020015380A1 (zh) * 2018-07-17 2020-01-23 苏州大学 激光清洗物体表面污染层的方法
CN109201567A (zh) * 2018-08-29 2019-01-15 海南省博物馆(海南省文物考古研究所） 一种海洋出水石质文物复合高效清洗方法
CN109201567B (zh) * 2018-08-29 2019-12-24 海南省博物馆(海南省文物考古研究所） 一种海洋出水石质文物复合高效清洗方法
CN113751432A (zh) * 2021-09-17 2021-12-07 宁波翔明激光科技有限公司 一种集成镜片洁净度检测装置的激光清洗头

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