Array Коллектив авторов - Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 2

Создание лазера в 1960 г. находится в одном ряду с такими важнейшими научными открытиями XX в., как изобретение радио и телевидения, ядерного реактора, реактивного двигателя и компьютера. Начиная с момента своего появления, лазеры находят широкое применение в промышленном производстве, медицине, экологии, военном деле и других отраслях науки и техники. К сожалению, менее известны способы их применения в области восстановления и исследования объектов исторического и культурного наследия, вследствие чего многие специалисты-реставраторы даже не догадываются об уникальных возможностях, которые открывает использование лазерной техники. В данной статье приводится краткий обзор способов применения лазеров для сохранения культурного наследия. По замыслу автора, настоящая публикация призвана восполнить упомянутый информационный пробел и может способствовать более широкому внедрению лазерных технологий в реставрационную практику в нашей стране.

Сначала – краткая историческая справка. Первые экспериментальные работы по применению лазеров в реставрации произведений искусства были выполнены в начале 1970-х гг. в Италии группой американских физиков под руководством профессора Джона Асмуса [1]. В последующие годы во многих странах Европы, США, Канаде и ряде других государств начались целенаправленные исследования в этой области, в результате чего лазерные технологии реставрации сформировались в отдельное научно-техническое направление. В настоящее время они получили признание специалистов во многих странах мира и были использованы при реставрации ряда всемирно известных памятников, включая собор Парижской Богоматери [2] и Амьенский кафедральный собор [3] во Франции, собор Святого Стефана (г. Вена, Австрия) [4], кафедральный собор Санта Мария дель Фьоре (г. Флоренция, Италия) [5], храм Парфенон (г. Афины, Греция) [6] и многие другие.

Сегодня, по прошествии тридцати с лишним лет с момента пионерских работ Дж. Асмуса, когда лазеры постепенно становятся важным практическим инструментом в повседневной работе многих реставраторов, можно выделить три основные области применения этой техники: 1. реставрация, 2. исследование произведений искусства, 3. мониторинг памятников и окружающей среды.

Прежде чем перейти к описанию применения лазеров, для лучшего понимания этих вопросов коснемся кратко физических основ лазерных технологий.

Любой лазер (от самой простой лазерной «указки» до мощных технологических установок, которые используются, например, для резки листового металла на промышленных предприятиях) представляет собой источник света, состоящий из излучателя (устройства, которое служит для генерации светового потока) и блока питания (источника электрической энергии). Главной отличительной особенностью и достоинством лазера, по сравнению со всеми другими источниками электромагнитных волн оптического диапазона, является его способность излучать свет в виде узконаправленного пучка. Концентрация энергии света в пучке малого диаметра позволяет осуществлять значительное тепловое воздействие на облучаемый лазером объект. Именно это свойство лазерного излучения используется в технологических операциях, в том числе при очистке поверхности и сварке материалов.

Примечательно, что все лазеры различаются между собой по типу активной среды (т. е. физического тела, составляющего основу лазерного излучателя; это может быть оптический или полупроводниковый кристалл, газ, раствор красителя и др.) и спек траль ному диапазону работы. Есть лазеры, которые излучают в видимой области спектра (такой свет, например «красное» излучение лазерной указки, человек видит глазом без специальных приборов), но есть лазеры, которые генерируют невидимое излучение в ультрафиолетовой (УФ) и инфракрасной (ИК) частях шкалы электромагнитных волн. Длина волны излучения лазера очень важна при выполнении любых технологических операций, поскольку разные материалы (камень, металл, дерево, пигменты красок, лак и т. д.) по-разному поглощают свет видимого, ИК– и УФ-диапазонов спектра.

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/см 2и 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 (pcoç – 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].