С «приручением» оптических квантовых генераторов перед реставраторами открываются большие возможности. Традиционные способы реставрации не всегда эффективны, а в некоторых случаях даже неприменимы. В этом отношении лазерный луч оказывается поистине незаменимым. Материалом для публикации послужили результаты уникальных экспериментов, которые провели специалисты в области реставрации и лазерных технологий, исследовавшие возможности применения лазера в реставрационных работах. Ниже речь пойдет об очистке лазерным лучом металлических поверхностей.

Преимущества лазерной очистки

Первый этап реставрации предполагает очистку экспонатов от загрязнений и посторонних примесей, которые образуются под воздействием окружающей среды (например, влажный и загазованный воздух) либо появляются в результате предшествующих реставрационных операций (защитные лаки, клеи, краски). К сожалению, традиционные способы очистки (механические, химические, электролитические) имеют недостатки, а в некоторых случаях они вовсе не применимы, поскольку могут нанести непоправимый вред драгоценному экспонату. Кроме того, эти методы нередко вызывают «побочные эффекты» — остаточные химические процессы.

За последние 15-20 лет в мире все большее значение приобретает лазерная очистка произведений искусства. Ее суть заключается в следующем:

луч импульсного лазера с заранее заданной плотностью мощности направляется именно на ту область поверхности изделия, которая нуждается в очистке. Под воздействием излучения происходит абляция (испарение) поверхностного слоя загрязнения.

Основное преимущество лазерной очистки — это возможность селективной обработки изделия, что чрезвычайно важно: материал оригинала и поверхностные примеси по-разному реагируют на излучение, и это, в свою очередь, позволяет удалять загрязнения при минимальном риске повредить ценный оригинал. К числу прочих достоинств лазерных методов относятся:

• неконтактность и локальность воздействия;
• отсутствие остаточных химических веществ и процессов;
• управляемость процессом путем простой регулировки мощности излучения;
• мобильность, возможность очистки объектов «на месте»;
• возможность очистки изделия, изготовленного из разнородных материалов.

Во многих научных трудах, посвященных методу лазерной очистки, речь идет главным образом об изделиях из мрамора, гипса и т. д. и, к сожалению, гораздо меньше внимания уделяется металлическим предметам.

Известно, что большинство металлов прекрасно отражают лазерное излучение, в то время как типичные загрязняющие и окисные слои поглощают его. По этой причине использование лазера, в отличие от химических и механических способов, позволяет очищать без риска повреждения поверхности с рисунками, глубоким рельефом, отделками, инкрустацией, декоративными покрытиями, а также образцы шитья с отделкой металлическим бисером и нитями на тканой основе, накладки на ткани, кожу и т.д.

Типы лазеров

В данной технологии, как правило, применяются лазеры, работающие в режиме очень коротких и часто повторяющихся импульсов. Длина волны излучения выбирается в зависимости от типа загрязнения, с тем чтобы при очистке не повредить поверхность изделия.

Большинство специализированных (мобильных и стационарных) лазерных установок, успешно применяемых реставраторами разных стран для очистки камня и металла, создано на базе частотных Nd-YAG лазеров с модулированной добротностью, с длиной волны 1,06 мкм, имеющих очень короткие (десятки наносекунд) импульсы с высокой пиковой мощностью. Лазеры этого типа эффективно удаляют загрязнения: интенсивная абляция происходит уже при плотности мощности до 107-108 Вт/см². (Nd — неодим, элемент с атомным номером 60 в таблице Менделеева относится к семейству лантаноидов. Неодимом легирован гранатовый кристалл твердотельных лазеров.)

К типу Nd-YAG лазеров относятся также установки, работающие в режиме свободной генерации и имеющие значительно большие длительности импульсов (не менее нескольких сотен микросекунд). Данный тип лазеров вызывает интенсивный нагрев подвергаемого обработке изделия, поэтому более целесообразным представляется использовать их не для очистки, а для тонкой сварки поврежденных деталей.

В промышленной очистке металлических поверхностей хорошо зарекомендовали себя ТЕА СО лазеры (лазеры атмосферного давления с поперечным электрическим разрядом). Лазеры этого типа обладают длиной волны 10,6 мкм, с длительностью импульсов от сотен наносекунд до микросекунды, способны работать в импульсно-периодическом режиме. К их достоинствам можно отнести также простоту в использовании и сравнительно невысокую стоимость. Существует небольшое количество публикаций об успешном использовании ТЕА СО лазеров при очистке металлических произведений искусства.

Опыты по лазерной очистке

Экспериментальная очистка образцов производилась с использованием Nd-YAG и ТЕАСО лазеров. Очистке подвергалась как сухая, так и влажная поверхность (смоченная кистью). Лазерный луч был направлен перпендикулярно поверхности образцов. Применялась оптическая схема фокусирования, позволяющая варьировать диаметр пучка и плотность энергии в зоне обработки в пределах Es = (0,2 — 4) Дж/см² для твердотельного Nd-YAG лазера и Es = (1 — 11) Дж/см² для ТЕАСО лазера.

Щипцы для колки сахара до очистки и результаты очистки щипцов при разных режимах облучения

Вначале при работе лазеров в однократном режиме выбиралась оптимальная плотность энергии, воздействующей на каждый из образцов, а затем в этом режиме при частоте в несколько герц производилась очистка части поверхности площадью в несколько квадратных сантиметров. Качество очистки оценивалось визуально, а также с помощью микроскопа с увеличением 24х. В оптимальном режиме, как правило, полная очистка достигалась уже после одного-двух лазерных импульсов.

Ниже приведено описание изделий, подвергавшихся лазерной очистке в качестве экспериментальных образцов.

На рубеже XIX-XX веков в быту были широко распространены никелированные гальваническим способом изделия. В качестве образца были взяты щипцы для колки сахара (Россия, начало ХХ века, железо с остатками никелирования), покрывшиеся тонким слоем загрязнений и коррозией.

Поверхность железных щипцов, за исключением глубоких каверн, была полностью очищена от окисных слоев и загрязнений Nd-YAG лазером при плотности энергии излучения Es=1,2-1,9 Дж/см², между сухой и влажной обработкой существенной разницы не наблюдалось. Важно отметить, что на поверхности щипцов после очистки удалось сохранить остатки старого никелирования. Этого очень сложно достичь традиционными механическими и электрохимическими методами.

Фрагмент ручки щипцов до (вверху) и после (внизу) очистки Nd-YAG лазером с плотностью энергии 22 Дж/cм2

Очистка поверхности излучением ТЕА СО, лазера оказалась неэффективна. При малых плотностях энергии загрязнение не удалялось, а при повышении энергии до E ~ 9-11 Дж/см² вблизи поверхности образца наблюдалась яркая вспышка оптического пробоя, плазма которого поглощала часть падающего излучения, не пропуская его в зону обработки.

Художественное оружие (парадное или охотничье) часто украшалось серебряными накладками с гравировками и чернью. Поскольку демонтировать такие пластины не всегда возможно, единственным приемлемым способом очистки подобных изделий является лазерный. Накладка на охотничье ружье (конец XIX века, гравированное серебро с чернью) в результате длительной эксплуатации и хранения в бытовых условиях покрылась налетом сульфида серебра темно-серого цвета. Очистка изделия производилась Nd-YAG лазером при оптимальной плотности энергии 0,85 Дж/см². В процессе удалось успешно очистить серебро и сохранить чернь.

Серебряная пластинка до (вверху) и после (внизу) очистки излучением Nd-YAG лазера при различных режимах обработки

Положительными можно признать и результаты лазерной очистки металлического бисерного шитья. Стеклянным бисером украшали костюмы еще в Древнем Египте, но только в 20-х годах XIX века для декорирования предметов прикладного искусства стал применяться медный, позолоченный и стальной бисер, как ограненный, так и круглый. Огранка была алмазного типа, благодаря чему зерно сверкало в лучах отраженного света. Окисленная сталь становится тусклой, ее первоначальный блеск можно восстановить методом лазерной очистки.

В качестве образца было взято шитье стальным бисером, покрытым слоем ржавчины, удалить которую химическим способом, не повредив тканевую основу, невозможно. Вначале были проведены опыты с целью определить, как действует излучение Nd-YAG и ТЕАСО лазеров на тканевую основу. Эксперименты показали, что многократное воздействие импульсов 10-микронного излучения (ТЕА СО) со временем приводит к повреждению ткани, в то время как 1-микронное излучение (Nd-YAG) оказалось безопасно. По этой причине дальнейшая очистка производилась только Nd-YAG лазером. При оптимальной плотности энергии ~3 Дж/см² очищенные зерна почти не отличаются от не пораженных ржавчиной.

Образец шитья с частично заржавленным бисером до и после лазерной обработки четырех фрагментов с различной плотностью энергии. Для очистки потребовалось воздействие 8-10 импульсов на одно и то же место

Чрезвычайно привлекательной выглядит возможность лазерной очистки произведений искусства из железа от многослойной ржавчины, появившейся в результате длительного хранения в земле или во влажной воздушной среде. Как показал опыт со щипцами, в процессе лазерной очистки тонкий слой оксида железа был с успехом удален с поверхности изделия без повреждения никелирования.

Для более детального изучения эффекта действия лазерного излучения на слои ржавчины различной толщины были проведены две серии экспериментов на обычных образцах современной стали, покрытой как естественной, так и искусственной коррозией различной толщины. В ходе первой группы опытов обработке была подвергнута стальная полоса с толстым слоем ржавчины. Для каждого лазера устанавливались различные режимы облучения: плотность энергии и количество импульсов. Излучение в 5-10 импульсов обоих лазеров не удаляло коррозионный слой, а вызывало его почернение, затем вид пятен уже не менялся вплоть до воздействия 100 и более импульсов. При попытках увеличения плотности энергии излучения над ржавой поверхностью возникала плазма оптического пробоя, экранирующая образец от дальнейшего воздействия.

Результаты облучения промышленной стальной полосы, покрытой толстым слоем ржавчины

Таким образом, в данной серии экспериментов эффективной лазерной очистки металла добиться не удалось. Причиной этого явления может быть наличие в оксидном слое твердого магнетита (Fe O), стойкого к воздействию лазерного излучения.

Для второй группы опытов на токарном станке были выточены восемь одинаковых стальных дисков с одинаковой шероховатостью поверхности. Далее одна из поверхностей каждого из дисков была подвержена искусственному ржавлению в водной среде в течение различных периодов времени — от 1 до 22 суток (для дисков № 1-8 последовательно). Левая часть поверхности каждого из дисков облучалась Nd-YAG лазером, правая — ТЕА СО лазером, а середина облучению не подвергалась. Плотности энергии предварительно были подобраны и составляли 1 и 8 Дж/см² соответственно.

Видно, что тонкий поверхностный слой ржавчины был прекрасно очищен излучением на длине волны 1,06 мкм практически с первого импульса (диски № 1-4). На дисках № 5 и 6 в процессе обработки возникало почернение, при этом для очистки требовалось уже два-три импульса. Наконец, более толстый, проникающий вглубь материала слой ржавчины на образцах № 7 и 8 не удалялся даже при увеличении количества импульсов до 10 и более.

Видно также, что при воздействии на поверхность излучения на длине волны 10,6 мкм получены менее удовлетворительные результаты (правые сегменты дисков на фото). Поверхность не очистилась до первоначального блеска, некоторое «посерение» заметно уже на дисках № 2-3.

Результаты облучения стальных дисков с искусственной ржавчиной. Круглые пятна на дисках № 5-6 соответствуют облучению с числом импульсов (снизу вверх) 1, 2, 3, 4, 5, 6 и снова 1. Аналогичные пятна на дисках № 7 и 8 соответствуют облучению с числом импульсов (снизу вверх) 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15

Таким образом, можно сделать вывод, что в большинстве случаев ТЕА СО лазер является менее эффективным инструментом для очистки металлических поверхностей произведений искусства, нежели Nd-YAG лазер.

Результаты проведенных экспериментов убедительно показали: будущее реставрационных работ, несомненно, за лазерами. На сегодняшний день очистка металлических поверхностей с помощью лазера является одной из самых эффективных и безопасных.

Реставрация на форуме →

Сергей Смирнов, Дмитрий Горячкин, Светлана Холодова