Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Лазерные методы и системы для реставрации и документирования произведений искусства. Парфенов Вадим Александрович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Парфенов Вадим Александрович. Лазерные методы и системы для реставрации и документирования произведений искусства.: диссертация ... доктора Технических наук: 01.04.05 / Парфенов Вадим Александрович;[Место защиты: АО «Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова»], 2018.- 402 с.

Содержание к диссертации

Введение

Часть 1. Лазерные методы и системы для документирования и создания копий произведений искусства 20

Глава 1.1. Разработка и исследование лазерных систем для изобразительной голографии 22

1.1.1. Краткая история изобразительной голографии и ее применений в музейной работе 22

1.1.1.1. Работы по голографированию музейных объектов в Венеции (1972 г.) 23

1.1.2. Разработка высококогерентных лазерных систем для импульсной изобразительной голографии...25

1.1.2.1. Общие принципы создания лазерных систем для импульсной изобразительной голографии 26

1.1.2.2. Разработка и исследование импульсных твердотельных лазеров для записи монохромных голограмм 27

1.1.2.2.1. Запись монохромных голографических портретов 35

1.1.2.3. Разработка и исследование импульсных твердотельных лазеров для записи цветных голограмм 39

1.1.2.3.1. О воспроизведении цвета объекта при получении его голографического изображения 40

1.1.2.3.2. Разработка 3-х цветной лазерной системы и исследование когерентности и пространственно-временной структуры стоксова излучения ВКР в режиме сверхрегенеративного усиления 47

1.1.2.3.3. Запись цветных голографических портретов 58

1.1.2.4. Генерация перестраиваемого излучения с высокой спектральной яркостью на основе колебательного и вращательного ВКР в газах 62

1.1.2.5. Современное состояние изобразительной голографии 74

1.1.2.6. Выводы по Главе 1.1 76

Глава 1.2. Лазерное ЗБ-сканирование и его применение для документирования и создания физических копий памятников 79

1.2.1. Физические принципы лазерного ЗБ-сканирования 80

1.2.2. Проблемы точности измерений и создания ЗБ-моделей при лазерном ЗБ-сканировании 86

1.2.2.1. Влияние выходных параметров лазера и свойств снимаемых объектов на точность сканирования 87

1.2.2.2. Точность создания компьютерных ЗБ-моделей 92

1.2.2.2.1. Общие принципы создания ЗБ-моделей 92

1.2.2.2.2. Методы триангуляции 95

1.2.2.2.3. Обработка результатов лазерного ЗБ-сканирования крупногабаритных объектов 98

1.2.2.2.4. Экспериментальные исследование точности создания компьютерных ЗБ-моделей при лазерном ЗБ-сканировании малогабаритных объектов 102

1.2.3. Применение лазерного ЗБ-сканирования для мониторинга скульптурных памятников 110

1.2.4. Применение лазерного ЗБ-сканирования для создания физических копий скульптурных памятников 117

1.2.5. Применение лазерного ЗБ-сканирования для реконструкции скульптурных памятников 126

1.2.6. Выводы по Главе 1.2 132

Часть 2. Лазерные методы и системы для реставрации произведений искусства 134

Глава 2.1. Лазерная очистка скульптурных памятников 136

2.1.1. Краткая история лазерной очистки в реставрации памятников 136

2.1.2. Традиционные методы очистки памятников 138

2.1.3. Физические основы технологии лазерной очистки 139

2.1.4. Особенности физических процессов лазерной абляции при ее использовании в реставрации памятников 155

2.1.5. Лазерная очистка мрамора и известняка 167

2.1.5.1. Вводные замечания 167

2.1.5.2. Разработка лабораторных макетов импульсных Nd:YAG-na3epoB, работающих в режимах SFR и LQS 172

2.1.5.3. Материалы и экспериментальные методы для исследования процессов лазерной абляции при очистке мрамора и известняка 178

2.1.5.4. Степень абляции для эталонных образцов 182

2.1.5.5. Обсуждение результатов экспериментов по лазерной абляции эталонных образцов 184

2.1.5.6. Анализ стратиграфии экспериментальных образцов 189

2.1.5.7. О проблеме изменения цвета поверхности мрамора в результате лазерной очистки 191

2.1.5.8. О роли кумулятивных тепловых эффектов при лазерной очистке мрамора 198

2.1.5.9. Обсуждение результатов и краткие выводы по 2.1.5 204

2.1.6. Лазерная очистка позолоченной меди и бронзы 205

2.1.6.1. Теплофизический анализ процессов лазерной абляции при очистке позолоченых поверхностей 208

2.1.6.2. Материалы и методы экспериментальных исследований 215

2.1.6.3. Результаты экспериментов 218

2.1.6.4. Обсуждение экспериментальных результатов 224

2.1.6.5. Краткие выводы по п.2.1.6 227

2.1.7. Выводы по Главе 2.1 228

Глава 2.2. Лазерная очистка книг и документов на бумажной основе 230

2.2.1. Выбор лазера для очистки бумаги 231

2.2.2. Эксперименты по лазерной очистке 235

2.2.4. Краткие выводы по главе 2.2 243

Глава 2.3. Контроль процесса и результатов лазерной очистки памятников 244

2.3.1. Краткий обзор методов контроля результатов лазерной очистки 244

2.3.2. Применение методов РФА и СЛИП для контроля эффективности лазерной очистки памятников 247

2.3.3. Контроль эффективности лазерной очистки памятников с помощью фотометрических приборов 255

2.3.3.1. Разработка и исследование фотометрического прибора с интегрирующей полостью в форме 255

2.3.4. Краткие выводы по главе 2.3 267

Глава 2.4. Применение лазерной обработки для пассивации поверхности памятников из железа 264

2.4.1. Исследование возможности пассивации поверхности железа при помощи непрерывного волоконного лазера 265

2.4.2. Выводы по Главе 2.4 274

Глава 2.5. Лазерное удаление, инактивация и мониторинг биологических поражений памятников 276

2.5.1. Общие сведения о биологических поражениях памятников 276

2.5.2. Лазерное удаление биологических поражений памятников 280

2.5.2.1. Постановка задачи. Выбор лазера и объектов для экспериментальных исследований 280

2.5.2.2. Эксперименты по лазерному облучению спор микромицетов 285

2.5.2.3. Эксперименты по лазерному облучению микромицетов, выращенных на каменных подложках 291

2.5.2.4. Эксперименты по лазерному удалению микромицетов с поверхности бумаги 299

2.5.2.5. Эксперименты по лазерному облучению микроводорослей с поверхности мрамора и известняка 301

2.5.2.6. Краткие выводы по п. 2.5.2 308

2.5.3. Лазерная инактивация биологических поражений памятников 307

2.5.3.1. Краткие выводы по п. 2.5.3 316

2.5.4. Лазерная экспресс-диагностика и мониторинг микромицетов 316

2.5.4.1. Эксперименты по идентификации микромицетов с помощью метода ЛИФ 318

2.5.4.2. Эксперименты по идентификации микромицетов с помощью методов СЛИП и ИК-спектрометрии 319

2.5.4.3. Краткие выводы по п. 2.5.4 324

2.5.5. Выводы по Главе 2.5 325

Глава 2.6. Примеры практического использования лазеров в реставрации памятников в Санкт-Петербурге 327

2.6.1. Очистка мраморной скульптуры Летнего сада 327

2.6.2. Очистка мраморной скульптуры из коллекции ГМЗ «Царское Село» 331

2.6.3. Очистка мраморного декора в интерьерах Исаакиевского собора 336

2.6.4. Выводы по Главе 2.6 339

Заключение 340

Список сокращений и условных обозначений 345

Список литературы 346

Приложение 1. Методика лазерной очистки скульптурных памятников из мрамора 377

Приложение 2. Методика лазерного ЗБ-сканирования скульптурных памятников 384

Список основных публикаций по тематике диссертации 395

Введение к работе

Актуальность темы

Лазерная техника находит широкое применение в промышленном производстве, медицине, экологии и других отраслях науки и техники. Новой областью применения лазеров является решение задач по сохранению культурно-исторического наследия. Во второй половине XX века темпы разрушения памятников (особенно тех, что экспонируются на открытом воздухе) под влиянием факторов окружающей среды значительно ускорились из-за ухудшения экологической обстановки. В этой ситуации традиционные методы реставрации и документирования памятников зачастую оказываются малоэффективными. Поэтому на повестку дня встал вопрос о необходимости поиска новых методов и технологий, и использование лазерной техники оказалось одним из самых действенных подходов к решению этих задач. Впервые лазеры были использованы для документирования и реставрации памятников истории и культуры в 1972 году американским физиком Джоном Асмусом [1], в работах которого была продемонстрирована перспективность использования для этих целей оптической голографии и технологии лазерной очистки Сегодня, по прошествии 46 лет после пионерских работ Дж. Асмуса, сложились 3 основных направления использовании лазеров в этой сфере: 1.Реставрация произведений искусства; 2. Исследование химического состава, структурная диагностика и документирование памятников; 3. Мониторинг состояния памятников и контроль окружающей среды (как среды их «обитания») [2]. Применение лазеров в этих направлениях связано с тем, что они не только более эффективны по сравнению с традиционными подходами, но в ряде случаев это является единственно-возможным способом решения сложных задач музейной работы.

Соответственно, с середины 1970-х до настоящего времени значительно возросло число прикладных задач в области сохранения культурно-исторического наследия, эффективно решаемых при помощи лазерных методов. Этому способствовало совершенствование самих лазеров, а также развитие техники голографии, спектроскопии и ряда других лазерных технологий (в частности, 3D-сканирования). Тем не менее, до сих пор существует ряд сложных научно-технических проблем, решение которых определяет дальнейшее внедрение лазерной техники в сохранение культурного наследия. Эти проблемы связаны, прежде всего, с особенностями оптико-физических свойств материалов, использованных при создании памятников, поскольку реставрация последних связана с требованиями минимального нарушения их внешнего вида и целостности. В процессе реставрации недопустимо изменение цвета, микроплавление, обугливание и другие виды повреждений поверхности памятников, которые могут происходить в ходе лазерной очистки и лазерной микросварки. Решение конкретных реставрационных задач требует как разработки специализированных лазеров, так и оптимизации параметров их излучения.

Решению указанных задач и посвящена настоящая диссертация. Это позволяет говорить о том, что тематика данной диссертационной работы является актуальной, имеет научную новизну и высокую практическую значимость, связанную с тем, что полученные в ней результаты (разработанные методы, приборы и системы) позволяют решать многие важные задачи современной музейной работы в рамках новых концепций и подходов, связанных с разработкой и использованием лазерной техники в сохранении культурного наследия.

Цель работы:

Данная диссертация посвящена разработке лазерных методов и систем, минимальным образом нарушающих целостность материальной основы памятников культуры, с целью применения созданной специализированной лазерной техники и разработанных методов ее использования для документирования, мониторинга, реставрации и создания физических копий произведений искусства.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие основные задачи:

  1. Выявление и систематизация особенностей объектов реставрации – материальных памятников культуры, – и формулирование на этой основе требований к специализированной лазерной технике для документирования, мониторинга, реставрации и создания физических копий произведений искусства.

  2. Разработка и исследование лазерных систем и оптимизация их выходных параметров для решения задач очистки поверхности мрамора, известняка, позолоченной меди, бронзы и бумажной основы книг с целью их последующего применения в реставрации исторических памятников. Исследование возможности пассивации железа при помощи лазерной обработки

  3. Исследование возможности удаления, инактивации и определения вида микроорганизмов-биодеструкторов при помощи лазерных методов.

  4. Разработка методов и систем для контроля эффективности лазерной очистки памятников в процессе реставрации.

  5. Разработка лазерных голографических систем, специализированных для документирования памятников истории и культуры.

6. Исследование точности создания компьютерных 3D-моделей с помощью лазерного 3D-скани-рования и применение найденных технических решений к созданию точных физических копий памятников. Методы исследования. Решение поставленных в работе задач проводилось путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Теоретические методы исследования основаны на законах взаимодействия лазерного излучения с материалами памятников истории и культуры, а также численном моделировании этого взаимодействия. Экспериментальные методы исследования основаны на макетировании и апробации разработанных лазерных систем.

Научная новизна работы:

  1. Впервые в рамках одной работы проведено комплексное исследование совокупности вопросов, связанных с использованием лазеров и лазерных систем для сохранения памятников истории и искусства, и разработаны новые методы и приборы, позволяющие решать ряд актуальных задач музейной работы по реставрации, документированию, мониторингу и созданию физических копий произведений искусства.

  2. Впервые экспериментально доказана возможность записи цветных крупноформатных изобразительных голограмм при помощи импульсных твердотельных лазеров, в которых используется обращение волнового фронта излучения на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Брил-люэна (ВРМБ) в тяжелой воде и преобразование длины волны на эффекте вынужденного комбинационное рассеяния (ВКР) в сжатом водороде.

  3. Впервые определены основные источники погрешности при создании компьютерных 3D-мо-делей при лазерном 3D-сканировании объектов сложной формы из натурального камня и разработана методика сканирования, которая позволяет повысить точность измерений и снизить влияние

внешних факторов и оптических свойств поверхности сканируемых объектов на точность создания моделей.

  1. Проведен теоретический анализ и экспериментальные исследования физических процессов лазерной абляции при удалении загрязняющих веществ с поверхности мрамора и известняка, а также позолоченной меди и бронзы. Впервые определены оптимальные параметры лазерного излучения при очистке поверхностей указанных материалов в процессе лазерной абляции. Разработана методика лазерного удаления загрязнений применительно к реставрации скульптур из мрамора и известняка, которая позволяет обеспечить высокую эффективность процесса очистки и исключить механические повреждения и изменение цвета каменных поверхностей.

  2. Впервые предложено использование многоимпульсной лазерной микрообработки для очистки бумаги. Экспериментально доказана эффективность и безопасность применения частотно-периодического твердотельного волоконного иттербиевого лазера с длиной волны 1,06 мкм для реставрационной очистки книг и документов на бумажной основе.

  3. Впервые предложена и экспериментально доказана возможность экспресс-контроля результатов лазерной очистки скульптурных памятников в процессе их реставрации путем измерения коэффициента диффузного отражения очищаемых поверхностей с помощью интегрирующего фотоприемника с измерительной полостью в форме цилиндра.

  4. Впервые проведено исследование эффективности воздействия импульсного инфракрасного лазерного излучения с длиной волны 1,064 мкм на жизнеспособность микроскопических грибов и водорослей и экспериментально доказана возможность удаления и инактивации микроорганизмов-биодеструкторов при помощи лазерной обработки.

Научные положения, выносимые на защиту:

  1. Использование техники обращения волнового фронта на основе эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в сочетании с техникой вынужденного комбинационного рассеяния излучения твердотельных импульсных лазеров позволяет создавать мощные многоцветные лазерные системы с перестройкой длины волны. Применение в таких системах тяжелой воды (в качестве ВРМБ-зеркала в усилительных каскадах) и сжатого водорода (в качестве ВКР-преобразова-теля частоты) обеспечивает степень пространственно-временной когерентности лазерного излучения не хуже 0.9, что делает возможным запись высококачественных крупноформатных импульсных цветных изобразительных голограмм.

  2. При лазерном 3D-сканировании объектов сложной формы из мрамора максимальную точность измерений рельефа поверхности обеспечивают сканеры триангуляционного типа. Применение триангуляционных сканеров в комбинации с камнеобрабатывающими фрезерными станками с ЧПУ для создания физических копий скульптурных памятников из натурального мрамора высотой до 1 м позволяет обеспечить локальную точность соответствия поверхностей копии и оригинала не хуже 2 мм (по критерию СКО).

3. Экспериментально доказано, что использование импульсного твердотельного Nd:YAG лазера с длиной волны 1,064 мкм, работающего в режиме свободной генерации с длительностью импульса в диапазоне 20…130 мкс при уровне плотности энергии в диапазоне 1…30 Дж/см2 позволяет обеспечить высокую эффективность очистки мрамора и известняка в результате абляции загрязняющих веществ. Указанные параметры лазерного излучения позволяют исключить механические повреждения и изменение цвета очищаемой поверхности объектов, созданных из этих материалов.

  1. Теоретически и экспериментально доказано, что при очистке позолоченных бронзовых и медных поверхностей излучением Nd:YAG лазера с длиной волны 1,064 мкм необходимо варьировать длительность импульсов в зависимости от типа золочения. Для очистки поверхностей с листовым золочением лазер должен работать в режиме свободной генерации с длительностью импульса в диапазоне 20… 130 мкс и при уровне плотности энергии в диапазоне 1,5…2 Дж/см2, а при очистке поверхностей амальгамной позолотой - в режиме модуляции добротности с длительностью импульса в диапазоне 70… 120 нс и при уровне плотности энергии около 0,5 Дж/см2.

  2. Эффективная и безопасная очистка бумаги достигается при многоимпульсной микрообработке

лазерным излучением с длиной волны 1,06 мкм и плотностью мощности 2-10 Вт/см при длительности импульсов 10 нс и частоте их повторения 20 кГц в сочетании с высокоскоростным (200-500 мм/с) сканированием светового пучка.

  1. Экспресс-контроль эффективности лазерной очистки поверхностей объектов из карбонатных горных пород можно осуществлять путем измерения коэффициента диффузного отражения очищаемой поверхности при помощи интегрирующего фотоприемника с измерительной полостью в форме цилиндра. Относительная погрешность таких измерений не превышает 3,5 %.

  2. Эффективное удаление не менее 99% микроскопических грибов и водорослей с поверхности мрамора и известняка достигается при их обработке лазерным излучением с длиной волны 1,064 мкм, длительностью импульсов 50… 90 мкс, частотой повторения импульсов 5-10 Гц и плотностью энергии 20… 60 Дж/см2.

Обоснованность и достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в работе результатов определяется сочетанием экспериментальных исследований, теоретического рассмотрения и анализа наблюдаемых физических процессов и явлений. Обоснованность выводов, сделанных на основе проведенных исследований, подтверждается воспроизводимостью полученных результатов и их согласованностью с данными, которые приводятся в научной литературе другими исследователями. Все эксперименты выполнены с использованием общепринятых методов и апробированных методик, а анализ полученных экспериментальных данных проведен с помощью статистических методов обработки результатов физических измерений. Достоверность проведенных расчетов обуславливается корректностью применяемого математического аппарата.

Практическая значимость результатов исследования. Результаты, полученные в ходе настоящего исследования - разработанные лазерные системы, методы и методики, - были использованы для решения многих практических задач современной музейной работы. Кроме того, они могут найти применение при решении ряда задач народного хозяйства, в том числе, для противодействия биологическим поражениям инженерно-технических сооружений и антикоррозионной защиты металлических конструкций.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использовались при выполнении следующих научно-исследовательских работ:

  1. Грант Минобрнауки РФ (Государственный контракт № 14.740.11.0601 по НИР «Разработка лазерных технологий реставрации произведений искусства» (2010-2012 гг.));

  2. Грант РФФИ (Проект № 07-02-00894-а «Исследование физико-химических явлений при лазерной очистке объектов исторического культурного наследия в процессе реставрации» (2007-2008 гг.);

  3. Гранты Правительства Санкт-Петербурга в сфере научно-технической деятельности: «Разработка лазерной технологии удаления биогенных загрязнений с поверхности каменных памятников» (2007г.), «Разработка лазерной технологии консервации экстерьерных памятников из металлов»

(2010 г.), «Лазерное 3D сканирование экстерьерной каменной скульптуры» (2011 г.), «Разработка технологии лазерной очистки для реставрации произведений настенной живописи» (2013 г.), «Разработка технологии лазерной очистки документов на бумажной основе» (2015 г.).

Основные результаты выполненных разработок и исследований внедрены в следующих отечественных музеях:

1. Государственный Эрмитаж; 2. Государственный Русский музей; 3. Государственная Третьяковская галерея; 4. Государственный музей изобразительных искусств им. А. С. Пушкина; 5. Государственный музей-заповедник «Царское село»; 6. Государственный музей-заповедник «Петергоф»; 7. Санкт-Петербургский государственный музей городской скульптуры; 8. Государственный музей истории Санкт-Петербурга; 9. Государственный музей-заповедник «Гатчина»; 10. Новгородский объединенный музей-заповедник (г. Великий Новгород).

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в следующих вузах Санкт-Петербурга: 1. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (при изучении дисциплин «Лазерные системы», “Laser systems” и «Лазерные и оптико-электронные системы»); 2. Санкт-Петербургская государственная художественно-промышленная академия им. А. Л. Штиглица (при изучении дисциплины «Физико-химические методы исследования»); 3. Институт искусства реставрации (в программе обучения на курсах повышения квалификации специалистов-реставраторов), что подтверждено соответствующими актами.

Кроме того, по тематике диссертации под руководством автора защищена 1 кандидатская диссертация и 43 выпускные квалификационные работы студентов (специалистов, бакалавров и магистров).

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 102 отечественных и международных научных конференциях, симпозиумах и научных школах. Наиболее значимые из них:

Конференции по лазерной физике, оптике и фотонике: 1. Всесоюзная конференция «Оптика лазеров» (г. Ленинград, 1987 г.); 2. Международный научный конгресс “Laser Optics” (г.Санкт-Петер-бург, 2006 г., 2010 г. и 2016 г.); 3. Международная конференция “Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies (FLAMN)” (г. Санкт-Петербург, 2007 г., 2013 г. и 2016 г.); 4. Международная конференция “Lasers for Artworks Conservation (LACONA)” (г. Вена, Австрия, 2005 г.; г. Мадрид, Испания, 2007 г.; г. Лондон, Великобритания, 2010 г.; г. Шаржа, ОАЭ, 2014 г.; г. Краков, Польша, 2016 г.), 5. Международный конгресс “TECNOLASER” (г. Гавана, Куба, 2009 г.); 6. Международная научная школа “Emprendedores e Innavacion an Ciencia y Tecnologia Fotonica para Latinoamerica” (г. Тампико, Мексика, 2012 г.); 7. Международный научный конгресс SPIE Optical Metrology (г. Мюнхен, Германия, 2013 г.); 8. Международная конференция “Optics, Photonics and Photosciences” (CIOFF) (г. Гавана, Куба, 2014 г.); 9. XII Международная конференция “Atomic and Molecular Pulsed Lasers” (г. Томск, 2015); 10. Международная научная школа «Лазерные микро-и нанотехнологии» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.).

Конференции по биологии: 1. Международный Микологический Форум (г. Москва, 2009 г., 2010 г. и 2012 г.); 2. IV международный симпозиум «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); Международная научно-практическая конференция «Биоповреждение строительных конструкций» (г. Санкт-Петербург, 2017 г.). Конференции по реставрации и сохранению культурного наследия: 1. Международная научно-методическая конференция «Исследования в консервации культурного наследия» (г. Москва, 2007

г., 2010 г., 2013 г. и 2017 г.); 2. Международная научно-практическая конференция «Исследование, реставрация и превентивная консервация музейных объектов» (г. Киев, Украина, 2008 г., 2011 г. и 2013 г.); 3. Международный форум «Цифровые технологии в системе инноваций сферы сохранения культурного наследия» (г. Казань, 2010 г.); 4. Международный форум «Сохранение культурного наследия» (г. Москва, 2011 г. и 2013 г.); 5. Международная научно-практическая конференция «Наследие, наука и технологии» в рамках VI Санкт-Петербургского Международного Культурного Форума (г. Санкт-Петербург, 2017 г.); 6. Международная конференция Electronic Imaging & Visual Arts (г. Флоренция, 2018 г.); 7. 2-й Международный семинар “Analysing Art: New Technologies – New Applications (г. Санкт-Петербург, 2018 г.)

Личный вклад автора. Автором разработаны: 1. Методика лазерной очистки мрамора и известняка; 2. Методика лазерной очистки бумаги; 3. Методика создания компьютерных 3D-моделей при лазерном 3D-сканировании объектов сложной формы; 4. Методика лазерного 3D-сканирования и мониторинга скульптурных памятников; 5. Методика создания физических копий памятников из мрамора с помощью лазерного 3D-сканирования и фрезерных станков с ЧПУ. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит постановка задач экспериментальных исследований, интерпретация и формулировка общих закономерностей полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 231 научная работа, из них – 2 монографии, 5 коллективных монографий, 39 статей в журналах из перечня ВАК и 22 публикации в изданиях, включенных в международную базу научного цитирования Scopus.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, основного раздела, состоящего из 2-х частей (в 1-й части – 2 главы, во 2-й – 6), заключения, списка использованной литературы и 2-х приложений. Она содержит 402 страницы машинописного текста, включает 198 рисунков и 38 таблиц. Список литературы насчитывает 388 наименований.

Разработка и исследование импульсных твердотельных лазеров для записи монохромных голограмм

В данном параграфе представлены результаты экспериментальных исследований автора, которые опубликованы в работах [60] - [63].

Как уже отмечалось, для получения высокой степени пространственной когерентности (ПК) излучения ЗГ должен работать в режиме нулевой поперечной моды (TEM00). Ее селекция может быть достигнута за счет введения в резонатор ЗГ полевой диафрагмы. Универсальным и часто применяемым в твердотельных лазерах способом получения одночастотного режима генерации, необходимого для обеспечения высокой временной когерентности, является введение в резонатор специальных селектирующих элементов (обычно эталонов Фабри-Перо), которые настраивают на одну и ту же резонансную частоту. При правильно выбранных параметрах селекторов удается обеспечить генерацию на одной продольной моде (т. е. одночастотный режим генерации). Однако в лазерах с большой шириной линии люминесценции (в том числе, в лазере на фосфатном неодимовом стекле, ширина спектра которого составляет около 300 А [64]) такое техническое решение оказывается малоэффективным из-за необходимости использования большого числа эталонов Фабри-Перо, что существенно снижает выходную мощность (энергию) лазера. В связи с этим чаще используют другой подход, при котором в резонатор лазера вводят пассивный просветляющийся затвор. В этом случае в твердотельном лазере (например, в лазере с активным элементом из неодимового стекла) при работе вблизи порога генерации можно получить одночастотное излучение. Помимо селекции продольных мод затвор обеспечивает также и модуляцию добротности резонатора, что позволяет получить гигантский импульс с наносекундной длительностью. Однако следует иметь в виду, что при работе с пассивным затвором для стабилизации спектра излучения лазера может потребоваться установка в резонатор наклонных селекторов (эталонов Фабри-Перо) [65], [66].

При работе с импульсными лазерами для эффективного преобразования частоты излучения во вторую гармонику можно использовать внерезонаторную генерацию второй гармоники (ГВГ) [67]. Что касается требуемого для записи голограмм уровня энергии лазерного излучения, то он может быть обеспечен за счет усиления излучения ЗГ. Для уменьшения габаритов лазерной установки и снижения ее стоимости целесообразно использовать многопроходовые усилительные каскады [67]. Однако при любой конфигурации усилителя излучение ЗГ в процессе усиления может приобретать значительные волновые аберрации, вызываемые неоднородностями показателя преломления активной среды усилительных систем. Наиболее эффективным способом их устранения является использование техники обращения волнового фронта (ОВФ), в том числе ОВФ-зеркал на эффекте вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) [68]-[70].

С учетом всего изложенного, в диссертационной работе предложена и реализована оптическая схема импульсного твердотельного лазера на фосфатном неодимовом стекле с удвоением частоты излучения и ВРМБ-зеркалом в усилителе [60], [61]. На рисунке 1.1 приведена оптическая схема ЗГ (З - «глухое» резонаторное зеркало; ППЗ - пассивный просветляющийся затвор; Д - диафрагма; ФП - эталон Фабри-Перо; АЭ - активный элемент; Щ и П2 разнотолщинные плоскопараллельные пластинки), а на рисунке 1.2- схема всей лазерной установки. На этой схеме обозначены: ЗГ - задающий генератор; Ф - вентиль Фарадея; Т - телескоп 7,5х; ПЗ -поляризационное зеркало; РФ - ромб Френеля; У1, У"2 - активные элементы усилителя; ГВГ кристалл KDP; ИФП - интерферометр Фабри-Перо; З1-З4 - зеркала; К К3 - калориметры; Л1-Л4 - линзы; ФЭ - фотоприемник; ФАЬ ФА2 - фотоаппараты; Кл1-Кл4 - оптические клинья; Осц осциллограф (с функцией записи, который использовался для регистрации и измерения длительности лазерного импульса); ВРМБ - ВРМБ-зеркало; СИ - схема измерения параметров лазерного излучения.

Назначение отдельных элементов в оптической схеме ЗГ понятно из вводных замечаний в начале данного параграфа. Следует добавить, что, как и в ЗГ американского рубинового лазера, описанного в 1.1.1, роль выходного зеркала резонатора здесь также выполняет стопа. Но в данном случае резонаторный отражатель был выполнен в виде двух отдельных, но близких по толщине (40,62 и 40,75 мм) плоскопараллельных стеклянных пластин, разнесенных друг от друга на расстояние 12 см, что позволяло получить одночастотную генерацию. Для стабилизации спектра излучения использовался интерферометр Фабри-Перо, наклоненный к оси резонатора под углом 0,5 и представляющий собой плоскопараллельную стеклянную пластинку толщиной 14 мм, на поверхности которой были нанесены диэлектрические покрытия с коэффициентами отражения на длине 1,06 мкм, равными 30 %. Селекция поперечных мод резонатора обеспечивалась за счет диафрагмы диаметром 2 мм. Модуляция добротности резонатора осуществлялась при помощи пассивного затвора на кристалле LiF:F2 с начальным пропусканием 20 %. Для получения линейной поляризации излучения ЗГ внутрь резонатора были помещены 2 пластины под углом Брюстера (на рисунке не показаны).

В качестве усилителей излучения ЗГ служили 2 активные головки от серийных лазерных установок ГОС-1001. Для исключения самовозбуждения усилителей они были разнесены друг от друга на расстояние около 5 м. В качестве активной среды и в ЗГ, и в усилителях использовались цилиндрические стержни из неодимового стекла ГЛС-22 (размер активного элемента в ЗГ -20 х 300 мм, размер активной среды в усилителях - 45 х 630 мм). Для обращения волнового фронта использовалось ВРМБ-зеркало, в качестве которого служили различные ВРМБ-среды (см. далее).

Помимо ЗГ, ОВФ-зеркала и усилителей оптическая схема лазерной установки включала в себя вентиль Фарадея, интерференционно-поляризационную развязку (ИПР) и ромб Френеля. Линейно-поляризованное излучение ЗГ на выходе ромба Френеля приобретает круговую поляризацию (работа ромба аналогична работе фазовой пластинки У Л), а на обратном проходе (после усиления и отражения от ВРМБ-зеркала) оно вновь становится линейно-поляризованным. Использование ромба Френеля позволяет уменьшить влияние эффекта самофокусировки в усилителях. Как показано в работе [70], преобразование линейно-поляризованного излучения (оно необходимо для реализации ГВГ) в свет с круговой поляризацией позволяет практически полностью исключить это явление.

Что касается ИПР, то она представляет собой комбинацию из интерференционно-поляризационного зеркала (выполняющего одновременно функции наклонного зеркала и поляризатора) [71] и телескопа с увеличением 7,5х. Телескоп служит для согласования апертур пучка излучения ЗГ и активных стержней в усилителях, но помимо этого он играет также роль пространственного фильтра в составе ИПР. Эта развязка предотвращает повреждение входящих в состав ЗГ оптических элементов и действует следующим образом. Часть деполяризованного излучения, проходящая через поляризатор после двукратного (в результате отражения от ВРМБ-зеркала) усиления, создает в пространственном фильтре (он представляет собой диафрагму, помещенную в откачанную до состояния вакуума кювету из кварца) пробой воздуха и тем самым препятствует попаданию этого излучения в ЗГ.

Особенности физических процессов лазерной абляции при ее использовании в реставрации памятников

В данном параграфе представлены результаты анализа научной литературы и собственных экспериментальных и теоретических исследований автора, которые опубликованы в работах [208]-[218].

Главной отличительной особенностью применения лазеров в реставрации объектов культурно-исторического наследия является то, что при проведении работ по лазерной очистке недопустимы даже самые незначительные повреждения их поверхности (появление трещин, изменение микрорельефа, плавление, обугливание и др.), изменение цвета и внутренней структуры материала памятника и т. п. По этой причине для лазерной очистки в реставрации целесообразно использовать доиспарительные режимы лазерной абляции, а если это невозможно - тщательно выбирать параметры лазерной обработки. Кроме того, для обеспечения лучшей сохранности поверхности объектов следует применять влажную лазерную очистку.

Независимо от характера и вида загрязнений поверхности памятников в процессе реставрации все они должны быть аккуратно и бережно удалены с его поверхности. Для выполнения этих требований лазерная очистка обязательно должна быть селективной. Это означает, что при использовании лазера в качестве реставрационного инструмента его излучение должно эффективно удалять загрязнения, но при этом не оказывать какое-либо негативное воздействие на материал самого памятника. При очистке камня и металлов, а также некоторых других материалов удаление поверхностных загрязнений происходит, в основном, в результате фототермической абляции [6]. И наоборот, как уже говорилось в п.2.1.3, при очистке произведений масляной и темперной живописи, используют преимущественно фотохимическую абляцию. Однако в обоих случаях для того, чтобы при лазерной очистке происходило селективное удаление одних лишь поверхностных загрязнений без повреждения подложки, следует принимать в расчет ее физико-химические и оптические свойства, а также свойства загрязняющего вещества. На практике это приводит к необходимости применять вполне определенные типы лазеров и индивидуально подбирать их выходные параметры при реставрации каждого конкретного памятника.

Поскольку фототермическая абляция применяется для решения большинства реставрационных задач, вновь рассмотрим физические аспекты более подробно.

Для начала заметим, что для очистки поверхности памятников в реставрации используют преимущественно импульсные лазеры. Поэтому помимо длины волны излучения, другим очень важным параметром, от которого в значительной мере зависит эффективность и безопасность процесса абляции, является длительность импульса. При использовании твердотельных Nd: YAG лазеров значения длительности импульсов могут варьироваться в диапазоне от единиц наносекунд до единиц миллисекунд. При длительности импульса от 1 до 100 нс удаление загрязнений обычно происходит вследствие термического взрыва или (при высокой интенсивности излучения) из-за динамичного распространения плотной плазмы. При этом на поверхности очищаемого материала возникает сильное давление паров отдачи из-за быстрого выброса материала, что может привести к ее повреждениям. В любом случае целесообразно избегать возникновения плазмы, так как она может снижать эффективность процесса абляции. Это связано с тем, что высокая электронная плотность плазмы (более 1018 е/см3) делает ее оптически непрозрачной, создавая экранирование поверхности материала, и процесс абляции перестает зависеть от оптических свойств материала, и определяется только свойствами плазменного облака. С другой стороны, быстрое нагревание и распространение области плазмы создает ударную волну, которая может вызвать фотомеханические эффекты на поверхности объекта, например, микротрещины, приводящие к сильной шероховатости и пористости очищенной поверхности [6], [200].

При микросекундной длительности импульса фотомеханическая составляющая абляционного процесса оказывается намного ниже, а иногда совершенно незначительна. При этом процесс удаления материала происходит вследствие испарения или быстрого теплового расширения частиц загрязняющего вещества.

Вместе с тем, помимо абляции загрязняющих веществ с поверхности памятника, при рассмотрении физических процессов, сопутствующих лазерной очистке, нужно принимать во внимание и тепловые эффекты, связанные с поглощением излучения лазера материалом самого памятника после его полной или частичной очистки. Как уже было сказано в п.2.1.3, глубину, на которой в материале памятника происходит полное рассеяние тепловой волны, характеризуют параметром длина термодиффузии. Его величина зависит от длительности импульса, но может значительно различаться для разных материалов (в частности, для металла она существенно больше, чем для камня). Из-за этого риск повреждения металлов существенно возрастает с увеличением длительности импульса (более подробно см. п.2.1.5.3).

На блок-схеме, представленной на рисунке 2.7, показаны основные механизмы фототермической абляции и параметры лазерного излучения, при которых они реализуются.

Кратко прокомментируем данные, приведенные на этом рисунке. Основным параметром лазеров, в этой таблице является длительность импульса (приведенные в левой верхней части диаграммы параметры tl и xSf - это длительность лазерного импульса и время полной тепловой (механической) релаксации материала памятника после окончания воздействия излучения лазера, соответственно). Величину xst можно вычислить по формуле [219]:

В процессе очистки при уровнях плотности энергии лазерного излучения ниже порога испарения загрязняющего вещества (эта ситуация соответствует доиспарительным режимам абляции, показанным в левой части диаграммы) преобладают фотомеханические явления (за исключением случаев, когда используются УФ-лазеры со сверхкороткой длиной волны излучения, которое вызывает фотохимическую абляцию).

В доиспарительных режимах загрязняющее вещество удаляется благодаря двум основным процессам. Во-первых, под воздействием лазера может происходить интенсивное отделение частиц загрязняющего вещества из-за возникновения градиента механических сил давления на границе между слоем загрязнений и материалом памятника. Во-вторых, может происходить так называемое первичное «расщепление» слоя загрязнений в том случае, если сила волны разряжения превосходит силы сцепления этих частиц между собой для данного конкретного вещества [200], [219], [220]. Эти два явления очень важны для практических применений лазерной очистки в реставрации, потому что они очень эффективны и позволяют работать при умеренных температурах подложки. В реальных ситуациях, особенно в тех случаях, когда загрязнения памятников представляют собой неоднородные многослойные корки и пленки, указанные фотомеханические явления могут иметь более сложный характер.

В частности, могут проявляться эффекты суперпозиции сил давления, возникающие в центрах поглощения, а именно вторичное и стимулированное водой (при использовании влажной очистки) «расщепление» слоя загрязнений. Оба этих эффекта очень часто используются при реставрационной очистке.

В испарительных режимах лазерной фототермической абляции (они сгруппированы в правой части диаграммы на рис. 2.7) при наносекундной длительности лазерных импульсов основным механизмом удаления загрязнений является так называемый быстрый термический «взрыв» [6], [219], [220]. Именно этот эффект наиболее корректно называть лазерной абляцией в общепринятом понимании этого термина. При таком механизме очистки значительная часть излучения лазера поглощается не только частицами загрязняющего вещества, но и материалом самого памятника, находящегося под слоем загрязнений. Это приводит к тому, что облучаемый лазером объем загрязняющего вещества может удаляться не только в виде отдельных частиц, но и в виде их больших «конгломератов» в результате действия значительных по амплитуде сил механического напряжения, которые возникают на границе раздела материал памятника/слой загрязнений. Следует заметить, что возникновение сил механического давления может приводить к повреждению подложки.

Но при коротких наносекундных длительностях лазерного импульса может реализовываться и другой механизм очистки, который основан на образовании плазмы. Образование облака плазмы сопровождается возникновением ударной волны и значительных по амплитуде механических сил. Это также может вызывать повреждения очищаемой поверхности (в частности, приводить к локальным изменениям микрорельефа, а также плавлению (при очистке металлических поверхностей)), что крайне нежелательно в задачах реставрационной очистки.

В «классической» лазерной абляции предполагается строгое тепловое ограничение. Однако в контексте данного рассмотрения полезно расширить толкование термина «лазерная абляция» на случай плазменно-стимулированного удаления материала. Это важно для некоторых частных случаев высокоинтенсивной лазерной очистки, а также режима квазинепрерывного испарения. Такой режим реализуется при использовании Nd:YAG a3epoB, работающих в режиме свободной генерации, а также в режиме свободной генерации с укороченной длительностью импульса (более подробно об этом см. в [208], [210], [219], [220]).

Быстрый тепловой «взрыв» и плазменно-стимулированное удаление материала обычно характерны для «жидких» динамических режимов, а также режимов, при которых возникают сильные механические напряжения, действующие на поверхность обрабатываемого материала. При микросекундной длительности (в диапазоне 10... 100 мкс) лазерного импульса нет большого различия между «чистым» испарением и испарением с образованием плазмы, поскольку образование плазмы в ограниченном объеме на практике реализуется довольно редко. По этой причине в правой центральной части рисунка 2.7 эти 2 явления рассматриваются как единый механизм процесса очистки. Фронт абляционного факела распространяется с квазизвуковой скоростью, а следовательно, не может создать ударную волну и сопутствующие ей значительные механические напряжения на поверхности очищаемого материала. Следовательно, потенциально такой режим является наиболее безопасным из всех испарительных механизмов фототермической абляции.

Разработка и исследование фотометрического прибора с интегрирующей полостью в форме

С учетом изложенных требований к прибору для измерения коэффициента отражения очищаемых каменных поверхностей было предложено использовать фотоприемник с интегрирующей полостью не в форме традиционной сферы, а в форме цилиндра, так как в этом случае упрощается изготовление полости и нанесение на нее диффузно отражающего слоя.

Чтобы проверить возможность реализации такого подхода, было проведено исследование влияния геометрической формы интегрирующей полости на характеристики фотоприемника. Для этого с помощью компьютерной программы Zemax было проведено математическое моделирование фотоприемников с интегрирующей полостью в форме сферы и цилиндра. Достоинством этой программы Zemax является то, что при работе в редакторе Non Sequential Components (NSC) она позволяет: 1. Расположить в 3-мерном пространстве множество оптических элементов с заданными параметрами, источников и детекторов; 2. Использовать в расчетах реальные единицы измерения характеристик излучения; 3. Моделировать процессы отражения, преломления и частичного пропускания излучения, а также рассеивания лучей на поверхностях, включая ламбертовское.

Для проведения необходимых расчетов в редакторе NSС программы Zemax были созданы модели интегрирующих фотоприемников, источников лазерного излучения и образцов с указанием типов поверхностей, геометрических размеров объектов, параметров излучения и т.д.

Создание компьютерной модели цилиндра

Для построения модели цилиндра в программе Zemax были заданы следующие элементы: цилиндрическая трубка Cylinder Pipe длиной 80 мм и радиусом 17 мм; два плоских кольца Annulus в качестве торцов цилиндра с внешним радиусом 17 мм и внутренним радиусом 5 мм. Эти элементы моделировали закрытый цилиндр с двумя одинаковыми круглыми отверстиями на торцах. Внутренняя поверхность задавалась как рассеивающая по закону Ламберта с коэффициентом отражения 0,95. Изображение полученной модели представлено на рисунке 2.55.

Роль фотоприемника на боковой поверхности модели цилиндра играл детектор Detector Rect. Его координаты задавались таким образом, чтобы он располагался посередине боковой поверхности. Источник излучения (лазер) задавался как Source Ellipse (плоская эллиптическая поверхность, испускающая лучи). Пучок задавался круглым с радиусом 1 мм в поперечном сечении. Координаты луча задавались таким образом, чтобы он попадал в цилиндр через отверстие (угол наклона к оптической оси цилиндра мог задаваться произвольно).

В процессе моделирования были заданы следующие параметры излучения источника: 1. длина волны 1,064 мкм (мы ориентировались на работу с Nd:YAG лазером); 2. мощность варьировалась в пределах 1...15 Вт. Объект будущих измерений (образец камня) задавался как Cylinder Volume, а его положение задавалось таким образом, чтобы он оказывался прижатым к одному из торцов (противоположному по отношению к торцу, через которое в цилиндр вводится излучение от источника). При этом размеры образца задавались таким образом, чтобы он полностью закрывал отверстие в торце цилиндра: диаметр 20 мм, толщина 3 мм. Коэффициент отражения варьировался в пределах 40-100%.

Изображения итоговой математической модели цилиндра представлены на рисунке 2.56.

Для того, чтобы сравнить работу интегрирующего цилиндра и традиционно используемой для таких целей интегральной сферы, в программе Zemax аналогичным образом была создана модель сферы. Размеры сферы задавались таким образом, чтобы площадь ее отражающей поверхности была равна площади отражающей поверхности цилиндра. Размеры технологических отверстий на поверхности полости выбирались из тех же соображений. Внутренняя поверхность сферы (так же как и для цилиндра) задавалась как рассеивающая по закону Ламберта с коэффициентом отражения 0,95.

Изображения полученных в программе Zemax математических моделей сферы и цилиндра представлены на рисунке 2.57.

Дальнейшее математическое моделирование показало, что характер зависимостей мощности сигнала на фотодетекторе от различных параметров (коэффициента отражения поверхности образца, угловых смещений луча относительно оптической оси, размера отверстий, мощности входного излучения и положения фотодетектора на стенке полости) для сферы и цилиндра идентичен. В качестве примера результатов моделирования на рисунке 2.58 показаны расчетные зависимости мощности сигнала на фотодетекторе от коэффициента отражения поверхности исследуемого образца.

Это позволяет сделать вывод об эквивалентности характеристик интегрирующих фотоприемников в форме сферы и цилиндра. На основании данного вывода было принято решение об изготовлении лабораторного макета прибора такого типа.

При изготовлении указанного измерительного прибора (его оптическая схема показана на рисунке 2.57) интегрирующая полость была изготовлена из оптического стекла. На внутреннюю поверхность полости было нанесено диффузное высокоотражающее покрытие (с максимумом вблизи длины волны 1 мкм - с учетом работы с Nd:YAG-лазером с длиной волны излучения 1,064 мкм)) представляющее собой пленку из мелко дисперсионного сверхчистого кварца. Торцы цилиндра были закрыты «заглушками» круглой формы, которые также были изготовлены из оптического стекла и имели высокоотражающее покрытие на той же длине волны.

Конструктивно стеклянный цилиндр помещается в металлический кожух из дюралюминия. На боковой поверхности самой интегрирующей полости установлен фотоприемник с набором ослабляющих светофильтров. Для этого в боковой стенке металлического кожуха сделано специальное отверстие. Внешний вид прибора показан на рисунке 2.58. Более подробно устройство прибора описано в [278].

Для калибровки и проверки точности прибора применяли специальные тестовые образцы, изготовленные из различных видов карбонатных горных пород. Образцы представляли собой небольшие полированные пластинки камня размерами 4 4 см. Значения их коэффициентов отражения этих пластинок измеряли на метрологически-аттестованном фотометрическом стенде в АО «ГОИ им. С. И. Вавилова». В таблица 2.14 и 2.15 представлены значения коэффициентов отражения, полученные в сериях из трех измерений, а также значения погрешностей определения этих коэффициентов. В качестве источника излучения, уровень интенсивности которого после отражения от поверхности тестовых образцов регистрировал разработанный фотоприёмник, использовали либо импульсный N:YAG лазер с длиной волны 1,064 мкм, либо непрерывный маломощный (уровень мощности - 1 мВт) полупроводниковый лазер с длиной волны 0,65 мкм.

Относительную погрешность измерений вычисляли по формуле: 8х=Ах/Хист, где Ах = хист- Xср - абсолютная погрешность измерений; хИСт - истинное значение коэффициента отражения; Xср - среднее арифметическое значение коэффициента отражения, вычисленное в результате усреднения значений параметра, которые были определены с помощью разработанного фотоприёмника. В рассматриваемом случае за хИСт принималось значение коэффициента отражения, полученное в результате измерений на метрологическом стенде.

Очистка мраморной скульптуры из коллекции ГМЗ «Царское Село»

В данном параграфе приведены результаты экспериментальных исследований автора, которые опубликованы в работах [49], [169], [215], [337], [376] - [378].

Работы по очистке мраморной скульптуры Государственного музея-заповедника «Царское Село» были выполнены совместно со специалистами петербургской реставрационной компании «Ресстрой» в период 2007-2010 гг. В числе главных объектов, которые очищались с помощью лазерной обработки, были скульптуры «Зефир, качающийся на ветке» (сокращенно - «Зефир») и «Примавера».

«Зефир» - это мраморная скульптура из белого каррарского мрамора, имеющая размеры 1,2 х 0,7 м. Автор - скульптор В. П. Бродзский (работа выполнена им в 1860 г. в г. Риме (Италия)). Ранее эта скульптура неоднократно подвергалась реставрационным воздействиям (последний раз -в 1991 г.), входе которых была проведена расчистка поверхности, выполнены доделки из мрамора и мастиковка мелких утрат из материала ПБМА. Кроме того, поверхность антисептировалась (в целях борьбы с биопоражениями) и покрывалась консервантом и воском.

К моменту начала описываемых реставрационных работ обследование скульптуры выявило множественные загрязнения и повреждения ее поверхности (см. рисунок 2.118).

Наиболее характерными видами повреждений и загрязнений были:

1. Значительное бактериологическое заражение (в виде пятен черного цвета по всей поверхности скульптуры, которые явились результатом поражения мрамора микроскопическими грибами родов Alternaria, Cladosporium, Exophiala, Ulocladium)

2. Значительная эрозия мрамора (проявлявшаяся в виде выветривания отдельных участков поверхности).

3. Наличие гипсовых корок черного и темно-серого цвета (главным образом, в поднутрениях скульптуры).

4. Стойкие загрязнения, в том числе трудноудаляемые темные налеты биологического характера, которые находились как на открытых участках, так и в поднутрениях, а кроме того, глубоко проникли в разрыхленные поры выветренных участков поверхности мрамора.

5. Остатки мастиковок из ПБМА на поверхности мрамора толщиной в отдельных местах до 1...2мм.

6. Множественные фрагменты силиконовой резины (в виде «чешуек» длиной 5...15 мм, шириной 3...10 мм и толщиной около 0,5 мм) и кусочки пластилина на поверхности «Зефира» (как на открытых участках, так и в поднутрениях, а также в завитках волос), которые явились последствием работ по снятию силиконовой формы с целью изготовления копии данной скульптуры.

По решению реставрационного совета музея в ходе реставрации «Зефира» должна была выполняться преимущественно только лазерная очистка его поверхности без использования традиционных методов химической и механической расчистки. Однако перед началом работ по лазерной обработке, согласно общепринятой методике реставрации мраморных скульптур, проводилась тщательная промывка всей поверхности «Зефира» водным раствором детского мыла с использованием волосяных щеток и парогенератора.

После этого проводились пробные расчистки мрамора при помощи лазера. Как и в случае реставрации скульптур Летнего сада, в этой работе был использован импульсный твердотельный Nd:YAG-jia3ep, имеющий те же самые выходные характеристики. Пробные расчистки были выполнены с тыльной стороны скульптуры (в ее основании) и на складках драпировки под правым плечом. Для удаления загрязнений использовалась влажная лазерная очистка.

Результаты пробных расчисток оказались весьма успешными: при обработке поверхности мрамора излучением лазера с уровнем плотности энергии в диапазоне 16...40 Дж/см2 биологические загрязнения удалялись очень легко, причем без ущерба для камня. Однако при удалении наиболее стойких загрязнений на отдельных участках поверхности приходилось работать при существенно более высоких уровнях плотности энергии (вплоть до 70 Дж/см2). И хотя такие уровни плотности лазерного излучения потенциально могут представлять опасность для сохранности мрамора, при очистке «Зефира» никаких негативных последствий лазерной обработки отмечено не было. Что касается удаления черных гипсовых корок, то оно достигалось при значительно меньших уровнях плотности энергии (15... 35 Дж/см2) и также не приводило к повреждениям мрамора.

Для выбора выходных параметров лазера при очистке поверхности «Зефира» (а ранее -при очистке скульптур Летнего сада) использовалась следующая методика работы. Удаление любого вида загрязнений всегда начиналось на самом низком уровне плотности энергии импульса лазерного излучения. Затем плотность энергии постепенно (пошагово - с интервалом установки уровня энергии 50 мДж) увеличивалась до такого значения, при котором происходило эффективное удаление поверхностных загрязнений. Заметим, что в процессе лазерной очистки памятников общее правило работы с лазером таково, что ни в коем случае не следует стремиться работать при самых высоких уровнях плотности энергии. Это означает, что после удаления наиболее стойких загрязнений для работы на соседних участках нужно по возможности максимально уменьшить уровень плотности энергии лазерного излучения.

Что касается скорости лазерной обработки, то она определяется частотой повторения импульсов - для увеличения скорости нужно повышать частоту. Однако для исключения локального перегрева поверхности (что может привести к появлению микродефектов поверхности) при очистке мрамора целесообразно ограничивать частоту на уровне 10... 15 Гц.

Следует отметить, что наибольшие трудности в ходе лазерной реставрации «Зефира» вызвала расчистка участков поверхности со следами мастиковок из ПБМА, а также с остатками силиконовой резины и используемого для ее затвердевания кремнийорганического компаунда. Наличие последних материалов на поверхности скульптуры объяснялось тем, что перед началом реставрации «Зефира» была снята силиконовая форма для изготовления копии данной скульптуры.

При обработке участков с ПБМА изменялся цвет мастиковок (с исходного белого на темно-серый с коричневатым оттенком). Из-за этого приходилось удалять лазером не только следы загрязнений на слое из ПБМА, но и сам слой мастиковок (полностью - до белого мрамора), что значительно увеличивало время обработки. Серьезные проблемы отмечались также и при работе на участках с остатками силикона, поскольку в этих местах происходило возгорание невидимых на глаз тонких каучуковых пленок. В этих местах образовывался тонкий слой копоти, который затем приходилось тщательно удалять лазером.

Несмотря на все трудности, в ходе работы были подобраны такие значения выходных параметров лазера (таблица 2.28), которые позволили полностью очистить поверхность скульптуры. При этом ее качество в полной мере удовлетворяло требованиям музейной реставрации, подразумевающей проведение деликатной расчистки без ущерба для поверхности и с сохранением патины времени (на рисунке 2.119 показан общий вид памятника в процессе очистки и после завершения лазерной обработки).

Нужно отметить, что эффективность лазерной обработки оказалась столь высока, что, как и было запланировано перед началом реставрационных работ, удалось практически полностью исключить использование химических реагентов.