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StellarNet光纤光谱仪用于彩绘玻璃激光去污分析

作者: 时间:2022-05-12

彩绘玻璃窗是文化遗产的一个重要组成部分。尽管保护充足,也难免随时间产生污浊堆积,但因为文物本身珍贵,所以一直以来伤害最小化的清洁方式是人们所孜孜探求的,短脉冲激光器为安全去污提供了新的机会。在本文简述的研究工作中,首次分析了亚纳秒和飞秒脉冲激光与一些当代彩色玻璃的相互作用,探索其在安全清洁彩色玻璃窗方面的适用性。结果显示,在这些材料中,由于被消除的涂层中的热量积累,可以用低于损伤阈值的能量水平诱发损伤。后者在玻璃体积上产生了巨大的热应力,从而诱发了裂缝的形成。因此,为了应用安全的彩色玻璃清洁协议,必须选择合适的激光参数来控制该层内的温度上升。

本文的工作中探索了两种可供选择的辐照程序。作为第一种选择,将有效脉冲重复频率降低到低于20 kHz的值。第二种选择是用于脉冲重复率为数百千赫的激光器。在这种情况下,采用脉冲串模式来控制发射的脉冲数量,并在两个连续的脉冲串运行之间选择适当的时间间隔。

美国StellarNet作为知名的光纤光谱仪生产厂家,其生产的光纤光谱仪不仅价格实惠,且功能强大。根据使用波长不同,主要分为一下几个常用的光纤光谱仪系列:Blue-Wave光纤光谱仪、Green-Wave光纤光谱仪、Black-Comet光纤光谱仪、Silver-Nova光纤光谱仪和DWARF近红外光纤光谱仪。本文就StellarNet光纤光谱仪于文物彩绘玻璃的激光去污清洁中分析的应用做了简要介绍。


材料和方法 - 彩色玻璃样品

本研究选择了四个不同颜色(绿色、无色、红色和蓝色)的当代彩色玻璃样品。这些样品由位于卢瓦尔河畔的圣朱斯特(Saint-Just-Saint-Rambert)的Verreire玻璃厂提供。这家工厂成立于大约189年前。目前,Verreire de Saint-Just的玻璃制造商是欧洲玻璃和彩色玻璃的参考供应商。样品的形状为长方形,尺寸为4厘米×1.5厘米×2毫米。元素的化学成分是通过EDS分析确定的,并在下面列出。在绿色、无色和蓝色玻璃中发现的主要成分包括SiO2Na2OCaOMgO。颜色的差异反映在其他元素的少量存在上,例如绿色玻璃中的铬和铜。红色玻璃与上述情况不同。在这种情况下,玻璃表现出267μm的外部层,具有不同的成分。它的主体成分与其他玻璃相似,但它的外层包括SiO2Na2OK2O作为主要成分,以及大量的ZnBa

光学和表面表征

       使用StellarNet微型光纤光谱仪对紫外-可见-近红外范围内的透光率和吸收值进行了表征,特别是在3001100纳米之间。使用了一个SL1-CAL光源,直径为0.6毫米,光纤输出处的锥角为25.4°,专门为300-1100纳米范围内的辐照度校准而配置的。透射率测试以5毫秒的积分时间进行,平均100次扫描。玻璃之间颜色的差异表明,它们在激光的发射波长处可以表现出不同的吸收特性。

光学特性分析

上面的透射率光谱对应于所研究的不同类型的当代玻璃。对于每个样品,光谱是在三个不同的位置采集的,以获得每个玻璃中光学反应的均匀性的信息。在StellarNet光纤光谱仪的所有的探测结果总,只有在透光率值高于70%的光谱区域观察到低于10%的差异。这些差异与玻璃内部的微气泡在照明区域(直径约1厘米)的分布有关。

正如预期的那样,颜色的差异产生了非常不同的透射率光谱。例如,在接近1064纳米的光谱范围内,无色、红色和蓝色玻璃的吸收率低于20%。然而,被绿色玻璃吸收的能量增加到接近70%的数值。在接近530纳米的光谱区域,对应于绿色激光器的发射,我们还观察到,三种有色玻璃吸收的能量非常高,只有无色玻璃呈现出高透射率值。最后,这四种玻璃,特别是绿色和红色的玻璃,在接近355纳米时表现出较低的透射率值,这是第三谐波(紫外)固体和稀土光纤激光器的特征发射波长。


结论

这项工作表明,当应用红外激光清洗去除玻璃表面的污染层时,限制因素是控制最外层内达到的最高温度,即使应用的激光辐照度或光通量值的水平低于规定的玻璃损伤阈值。一些实验表明,对玻璃不造成任何直接损害的激光处理,如果用于清除沉积在玻璃表面的污染物,就会使玻璃变坏。在要清洗的污染物上产生的热量会引起一定程度的热应力,足以导致玻璃上的机械裂纹。因此,为建立一个有效的清洁协议,一套理想的激光参数的主要目标之一是尽量减少这种热输入,在这种情况下被称为热积累。

当应用高频率的突发激光处理时,通过在突发系列的每个位置选择最大的脉冲数并在每个系列之间引入一个时间间隔来限制达到的温度。在本工作中使用的n-IR 800 ps激光器的特殊情况下,在10个循环或更多的200个脉冲的处理中,24 μJ的脉冲(通量0.49 J/cm2,辐照度0.61 GW/cm2),每次处理之间有非辐照时间间隔,导致更可观察和有效的清洗。这也被证明是有效地避免了基材的微裂纹和熔化,即使玻璃显示出重要的吸收水平。

另一方面,一些新的激光器有可能减少有效的脉冲重复频率,同时保持每个脉冲的能量。在这种情况下,这种频率的降低足以定义安全的清洁协议,即使扫描速度也被降低以保持理想的脉冲重叠。在本工作中,使用基于fs激光的治疗,提供接近104 GW/cm2的辐照度值,证明了这一点。因此,安全的激光治疗已经实现了将脉冲重复频率限制在20 kHz或以下。

这些想法对于设计激光协议,避免历史上的彩色玻璃窗的玻璃损坏也是至关重要的。一旦确定了特定彩色玻璃的损伤阈值,就必须确定激光清洁协议,限制辐照处理过程中的温度上升,以避免玻璃因热冲击而恶化。




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