略談激光清洗技術在文物保護中的應用

［摘要］當前，文物保護修復中運用激光技術在我國尚屬起步階段。我國文物古跡眾多，將激光技術用于保護修復領域，能起到很大作用。本文簡單介紹了激光的原理和激光在文物修復過程中的實際應用情況。

［關鍵詞］激光清洗技術；石質文物；修復與保護

［中圖分類號］G264.3 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1005-3115（2011）014-0119-02

一、激光清洗技術簡介

激光技術在眾多領域有著廣泛的應用，如工業制造、醫療、軍事、科學探測、商業、娛樂業等。國外在20個世紀七八十年代就開始將激光用于藝術品表面清洗，隨后嘗試用于文物表面雜物的清潔，一般在石質文物方面用的較多。當前，許多國家如法國、美國、英國、希臘、意大利等，都開展了激光技術在文物修復方面的運用，我國還處于起始研究階段。

目前，國外在激光清洗技術的發展和研究方面，其技術參數和機理方面的研究逐漸減少，技術應用的研究占了主導地位。在實際應用中展示了激光技術的優越性，同時，激光清洗的配套設備也比過去更加完善，其中YAG 激光器在文物修復和藝術品保護方面的應用明顯多于在其他方面的應用。

傳統的清洗方法包括機械清洗法、化學清洗法和超聲波清洗法。通常，這些清洗方法在環境保護和高精度要求方面受到限制，如機械方法無法滿足高清潔度清洗要求，而化學清洗方法容易導致環境污染，獲得的清潔度也很有限，特別是當污垢成分復雜時，必須選用多種清洗劑反復清洗才可能滿足表面清潔度的要求。盡管超聲波清洗法清洗效果不錯，但對亞微米級污粒的清洗卻表現得無能為力，同時，清洗槽的尺寸也限制了清洗對象的范圍和復雜程度，而且清洗后的文物需要快速干燥亦是一大難題。令人欣慰的是，激光清洗技術以自身的許多優點彌補了傳統清洗方法的不足。

二、激光清洗技術的工作原理及機理

激光清洗技術是采用高能激光束照射物體表面使表面的污物、銹斑或涂層發生瞬間蒸發或剝離，從而達到潔凈化的工藝過程。激光器通常由諧振器、光源發生器、冷卻器三部分組成，其工作原理為：由激光器發射一種單色性很強、能量高度集中并朝著單一方向發射的光，再由諧振器引出臂式或光纜式連接激光頭，清洗工作主要通過調整激光頭完成。因為激光是一種單色性和方向性都很好的光輻射，所以通過鏡組合可以聚焦光束，把光束集中到一個很小的范圍或區域中。正確掌控激光光束即能顯現清洗效果。

下文以石質文物為例，具體說明激光清洗的工作機理。因為石質文物表面的污物和石材是以弱化學作用力和物理作用力結合的。弱化學作用力包括氫鍵和電荷轉移形成的鍵能等，物理作用力包括范德華力（包括靜電、誘導和色散作用）以及毛細作用力等。此外，石材比其他材料更難清洗的原因是由于天然石材存在的大量微孔隙，微孔隙的毛細作用力不僅使污物與石材之間的各種結合力得到了增強，同時，其包裹作用也使各種清洗的外力難以發揮作用。

當激光束射于物體表面，至少可以產生三個方面的作用：一是會在固體表面產生力學共振現象，使表層或凝結物碎裂脫落；二是會使表面垢層受膨脹而克服基體物質對污垢粒子的吸附力而脫離物體表面；三是在瞬間使污垢分子蒸發、汽化或分解。激光清洗技術就是利用激光脈沖的振動、粒子的熱膨脹、分子的光分解或相變三種作用或聯合作用克服污物與基體物質表面之間的結合力，使污物脫離物體表面而達到清洗的目的。

根據被清洗基體物質與污物的光學特性分析，又可將激光清洗機理分為兩類：一是利用基體物質與表面附著的污垢對某一波長激光能量的吸收系數的差別，使激光能量充分被附著的污物所吸收，從而受熱膨脹或汽化揮發，并被汽化形成的蒸汽流帶動脫離基體物質而達到清洗的目的，其要求是基體物質對激光能量的吸收系數要小，使表面污垢受膨脹后而克服基體物質對污垢粒子的吸附力而才不至于被損傷。因此，實現安全高效清洗的關鍵是選擇合適的激光波長并控制適度的能量密度。二是對于基體物質與表面附著物對激光束的吸收系數差別不大，或者表面附著物受熱后會產生有毒物質等情況的清洗，通常是利用較高頻率和功率的脈沖激光沖擊被清洗的表面，使部分光束轉換成聲波，聲波在沖擊中下層硬表面以后返回，其返回的部分與激光產生的聲波發生干涉，從而產生高能共振波，使污垢層發生微小爆裂，造成粉碎，易于脫離基體物質表面。

三、激光清洗技術在文物修復中的應用

激光清洗是利用激光光源來將物體表面的物質除去使其剝離（消溶）。通常用于文物清洗的激光器有三個波長：1064納米、532納米、355納米，有序地選擇光波的長短能避免物體表面損害，正確方法是選擇激光的參數。

在具體操作時，應先在文物樣品上選擇試驗點，可以運用化學方法、機械方法，再用激光方法作對比。在進行激光清洗時，要明確先清洗部分和后清洗部分，在同一個地方試用一兩個脈沖，還要調整能量。比如石質上的色彩部分激光脈沖參數與石質材料不同，應當考慮激光能量大小和要面對文物材質的承受力。此外，對存留在文物上的信息應當保留，若確定繼續使用激光有損文物本體時應停止操作，從而避免文物不受傷害。下文以戰國時期青銅禮器鼎腹部的殘片、青花碗殘片和大理石基座為例，具體談談實踐操作方法。

例一，戰國時期青銅禮器鼎腹部的殘片激光清洗。殘片銅質尚好，呈黃銅色，長約70毫米，寬約26毫米；因常年埋藏，器物表面腐蝕生成黑色的氧化銅和藍綠色的堿式碳酸銅。首先，將樣品分成兩個試驗區，分別采用傳統清洗方法和激光清洗方法進行對比。在傳統清洗區域選用機械方法，用小號手術刀在器表輕輕刮試，將藍綠色銹層剔除。激光清洗的區域選用波長1064納米激光、能量175兆焦頻率20赫茲的dive 5進行清洗。從清洗后的效果看，使用激光清洗后，銹層薄處效果較好，銹層較厚處清除很慢，配合傳統清洗方法為宜。

例二，青花碗殘片激光清洗。殘片表面附著有大面積沉積結殼，硬度較高。同樣將殘片分為若干區域，在傳統方法清洗區先用酒精、丙酮浸濕擦拭，然后用15號手術刀清除較薄結殼，不容易剔除的結殼處敷15%的碳酸氨30分鐘，用手術刀清除，清洗后整體效果很好。激光清洗區分三個不同的能量區域，采用波長1064納米，能量180兆焦耳、190兆焦耳、200兆焦耳，頻率20赫茲的dive 5，去離子水潤濕，清除很慢，效果不好。采用波長1064納米、能量210兆焦耳、頻率20赫茲的dive 5，去離子水潤濕，效果較好。采用波長532納米、能量 210兆焦耳、頻率20赫茲的dive 5，去離子水潤濕，清除速度較波長1064納米、能量 210兆焦耳快，效果較好。

通過對三種波長及不同能量的測試，使用波長532納米、能量 210兆焦耳、頻率20赫茲、dive 5激光清洗后的效果較好，但是表面還是殘留有很薄的污漬。

例三，大理石基座激光清洗。由于基座表面覆蓋黑色沉積物，另有少量白色結殼。直接使用激光清洗，用膠條分出三個試驗區域，每個區域再分成A區和B區。

在使用波長1064納米的激光清洗區域，Ａ區使用能量 170兆焦耳頻率、20赫茲的dive 4，去離子水潤濕，用激光均勻清洗，清除較快，但顏色偏白。Ｂ區使用能量 175兆焦耳頻率、20的赫茲dive 3，去離子水潤濕，用激光均勻清洗，清除較快，但顏色偏黃。

在使用波長532納米的激光清洗區域，Ａ區能量 175兆焦耳、頻率20赫茲的dive 3，去離子水潤濕，用激光均勻清洗，沒有明顯效果。Ｂ區能量 190～195兆焦耳、頻率20的赫茲dive 3，去離子水潤濕，用激光均勻清洗，清除不徹底。

在使用波長355納米的激光清洗區域，Ａ區使用能量 180兆焦耳、頻率20赫茲的dive 3，去離子水潤濕，用激光均勻清洗，沒有明顯效果。Ｂ區使用能量 200兆焦耳、頻率20的赫茲dive 3，去離子水潤濕，用激光均勻清洗，清除不徹底。

通過對三種波長不同能量的測試，采用波長1064納米、能量 175兆焦耳、頻率20赫茲的dive 3，激光清洗后雖然顏色稍有偏黃，但整體效果還是較好。

在使用激光清洗過程中，為了充分利用激光的作用，加強激光的清洗效果，可事先在被清洗基體的表面人為地涂上一些水或水與甲醇或乙醇的混合液體。當激光照射到液膜上時，液膜因急劇受熱，會產生爆炸性汽化，爆炸的沖擊使基體表面的污垢松散并隨沖擊波飛離基體的表面。另外，有些污垢需要使用激光使其松散后，再用非腐蝕性的化學方法去污。

四、結語

激光清洗在文物保護修復中成為傳統清洗方法的補充和延伸，其優勢在于：它是一種非接觸工作，避免了在對文物表面進行清洗時會產生的機械作用力而損傷物體表面，或者清洗的介質附著于被清洗物體的表面，無法去除，產生二次污染，激光清洗使這些問題迎刃而解；利用激光器清洗可方便地實現遠距離操作，通過光導纖維傳輸，能清洗傳統方法不易達到的部位；激光清洗能清除各種質地表面的不同類型的污染物，達到常規清洗無法達到的清潔度，而且激光清洗還可以選擇性地清洗表面的污物，不損傷內部組成和結構；激光清洗是一種“干式”清洗，不需要清潔液或其他化學溶液，因此沒有化學清洗產生的環境污染問題，去除的廢料基本上都是固體粉末，體積小，易于收集，基本上不造成污染，是一種綠色的清洗工藝；激光清洗效率高，節省時間。

綜上所述，激光清洗技術是現代高科技產物，想要熟練掌握這種技術和方法，需要在實踐中花費更多時間，結合一些傳統的修復方法使用，從而達到理想的修復效果。