略谈激光清洗技术在文物保护中的应用

［摘要］当前，文物保护修复中运用激光技术在我国尚属起步阶段。我国文物古迹众多，将激光技术用于保护修复领域，能起到很大作用。本文简单介绍了激光的原理和激光在文物修复过程中的实际应用情况。

［关键词］激光清洗技术；石质文物；修复与保护

［中图分类号］G264.3 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-3115（2011）014-0119-02

一、激光清洗技术简介

激光技术在众多领域有着广泛的应用，如工业制造、医疗、军事、科学探测、商业、娱乐业等。国外在20个世纪七八十年代就开始将激光用于艺术品表面清洗，随后尝试用于文物表面杂物的清洁，一般在石质文物方面用的较多。当前，许多国家如法国、美国、英国、希腊、意大利等，都开展了激光技术在文物修复方面的运用，我国还处于起始研究阶段。

目前，国外在激光清洗技术的发展和研究方面，其技术参数和机理方面的研究逐渐减少，技术应用的研究占了主导地位。在实际应用中展示了激光技术的优越性，同时，激光清洗的配套设备也比过去更加完善，其中YAG 激光器在文物修复和艺术品保护方面的应用明显多于在其他方面的应用。

传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。通常，这些清洗方法在环境保护和高精度要求方面受到限制，如机械方法无法满足高清洁度清洗要求，而化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有限，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面清洁度的要求。尽管超声波清洗法清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗却表现得无能为力，同时，清洗槽的尺寸也限制了清洗对象的范围和复杂程度，而且清洗后的文物需要快速干燥亦是一大难题。令人欣慰的是，激光清洗技术以自身的许多优点弥补了传统清洗方法的不足。

二、激光清洗技术的工作原理及机理

激光清洗技术是采用高能激光束照射物体表面使表面的污物、锈斑或涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程。激光器通常由谐振器、光源发生器、冷却器三部分组成，其工作原理为：由激光器发射一种单色性很强、能量高度集中并朝着单一方向发射的光，再由谐振器引出臂式或光缆式连接激光头，清洗工作主要通过调整激光头完成。因为激光是一种单色性和方向性都很好的光辐射，所以通过镜组合可以聚焦光束，把光束集中到一个很小的范围或区域中。正确掌控激光光束即能显现清洗效果。

下文以石质文物为例，具体说明激光清洗的工作机理。因为石质文物表面的污物和石材是以弱化学作用力和物理作用力结合的。弱化学作用力包括氢键和电荷转移形成的键能等，物理作用力包括范德华力（包括静电、诱导和色散作用）以及毛细作用力等。此外，石材比其他材料更难清洗的原因是由于天然石材存在的大量微孔隙，微孔隙的毛细作用力不仅使污物与石材之间的各种结合力得到了增强，同时，其包裹作用也使各种清洗的外力难以发挥作用。

当激光束射于物体表面，至少可以产生三个方面的作用：一是会在固体表面产生力学共振现象，使表层或凝结物碎裂脱落；二是会使表面垢层受膨胀而克服基体物质对污垢粒子的吸附力而脱离物体表面；三是在瞬间使污垢分子蒸发、汽化或分解。激光清洗技术就是利用激光脉冲的振动、粒子的热膨胀、分子的光分解或相变三种作用或联合作用克服污物与基体物质表面之间的结合力，使污物脱离物体表面而达到清洗的目的。

根据被清洗基体物质与污物的光学特性分析，又可将激光清洗机理分为两类：一是利用基体物质与表面附着的污垢对某一波长激光能量的吸收系数的差别，使激光能量充分被附着的污物所吸收，从而受热膨胀或汽化挥发，并被汽化形成的蒸汽流带动脱离基体物质而达到清洗的目的，其要求是基体物质对激光能量的吸收系数要小，使表面污垢受膨胀后而克服基体物质对污垢粒子的吸附力而才不至于被损伤。因此，实现安全高效清洗的关键是选择合适的激光波长并控制适度的能量密度。二是对于基体物质与表面附着物对激光束的吸收系数差别不大，或者表面附着物受热后会产生有毒物质等情况的清洗，通常是利用较高频率和功率的脉冲激光冲击被清洗的表面，使部分光束转换成声波，声波在冲击中下层硬表面以后返回，其返回的部分与激光产生的声波发生干涉，从而产生高能共振波，使污垢层发生微小爆裂，造成粉碎，易于脱离基体物质表面。

三、激光清洗技术在文物修复中的应用

激光清洗是利用激光光源来将物体表面的物质除去使其剥离（消溶）。通常用于文物清洗的激光器有三个波长：1064纳米、532纳米、355纳米，有序地选择光波的长短能避免物体表面损害，正确方法是选择激光的参数。

在具体操作时，应先在文物样品上选择试验点，可以运用化学方法、机械方法，再用激光方法作对比。在进行激光清洗时，要明确先清洗部分和后清洗部分，在同一个地方试用一两个脉冲，还要调整能量。比如石质上的色彩部分激光脉冲参数与石质材料不同，应当考虑激光能量大小和要面对文物材质的承受力。此外，对存留在文物上的信息应当保留，若确定继续使用激光有损文物本体时应停止操作，从而避免文物不受伤害。下文以战国时期青铜礼器鼎腹部的残片、青花碗残片和大理石基座为例，具体谈谈实践操作方法。

例一，战国时期青铜礼器鼎腹部的残片激光清洗。残片铜质尚好，呈黄铜色，长约70毫米,宽约26毫米；因常年埋藏，器物表面腐蚀生成黑色的氧化铜和蓝绿色的碱式碳酸铜。首先，将样品分成两个试验区，分别采用传统清洗方法和激光清洗方法进行对比。在传统清洗区域选用机械方法，用小号手术刀在器表轻轻刮试，将蓝绿色锈层剔除。激光清洗的区域选用波长1064纳米激光、能量175兆焦频率20赫兹的dive 5进行清洗。从清洗后的效果看，使用激光清洗后，锈层薄处效果较好，锈层较厚处清除很慢，配合传统清洗方法为宜。

例二，青花碗残片激光清洗。残片表面附着有大面积沉积结壳，硬度较高。同样将残片分为若干区域，在传统方法清洗区先用酒精、丙酮浸湿擦拭，然后用15号手术刀清除较薄结壳，不容易剔除的结壳处敷15%的碳酸氨30分钟，用手术刀清除，清洗后整体效果很好。激光清洗区分三个不同的能量区域，采用波长1064纳米，能量180兆焦耳、190兆焦耳、200兆焦耳，频率20赫兹的dive 5，去离子水润湿，清除很慢，效果不好。采用波长1064纳米、能量210兆焦耳、频率20赫兹的dive 5，去离子水润湿，效果较好。采用波长532纳米、能量 210兆焦耳、频率20赫兹的dive 5，去离子水润湿，清除速度较波长1064纳米、能量 210兆焦耳快，效果较好。

通过对三种波长及不同能量的测试，使用波长532纳米、能量 210兆焦耳、频率20赫兹、dive 5激光清洗后的效果较好，但是表面还是残留有很薄的污渍。

例三，大理石基座激光清洗。由于基座表面覆盖黑色沉积物，另有少量白色结壳。直接使用激光清洗，用胶条分出三个试验区域，每个区域再分成A区和B区。

在使用波长1064纳米的激光清洗区域，Ａ区使用能量 170兆焦耳频率、20赫兹的dive 4，去离子水润湿，用激光均匀清洗，清除较快，但颜色偏白。Ｂ区使用能量 175兆焦耳频率、20的赫兹dive 3，去离子水润湿，用激光均匀清洗，清除较快，但颜色偏黄。

在使用波长532纳米的激光清洗区域，Ａ区能量 175兆焦耳、频率20赫兹的dive 3，去离子水润湿，用激光均匀清洗，没有明显效果。Ｂ区能量 190～195兆焦耳、频率20的赫兹dive 3，去离子水润湿，用激光均匀清洗，清除不彻底。

在使用波长355纳米的激光清洗区域，Ａ区使用能量 180兆焦耳、频率20赫兹的dive 3，去离子水润湿，用激光均匀清洗，没有明显效果。Ｂ区使用能量 200兆焦耳、频率20的赫兹dive 3，去离子水润湿，用激光均匀清洗，清除不彻底。

通过对三种波长不同能量的测试，采用波长1064纳米、能量 175兆焦耳、频率20赫兹的dive 3，激光清洗后虽然颜色稍有偏黄，但整体效果还是较好。

在使用激光清洗过程中，为了充分利用激光的作用，加强激光的清洗效果，可事先在被清洗基体的表面人为地涂上一些水或水与甲醇或乙醇的混合液体。当激光照射到液膜上时，液膜因急剧受热，会产生爆炸性汽化，爆炸的冲击使基体表面的污垢松散并随冲击波飞离基体的表面。另外，有些污垢需要使用激光使其松散后，再用非腐蚀性的化学方法去污。

四、结语

激光清洗在文物保护修复中成为传统清洗方法的补充和延伸，其优势在于：它是一种非接触工作，避免了在对文物表面进行清洗时会产生的机械作用力而损伤物体表面，或者清洗的介质附着于被清洗物体的表面，无法去除，产生二次污染，激光清洗使这些问题迎刃而解；利用激光器清洗可方便地实现远距离操作，通过光导纤维传输，能清洗传统方法不易达到的部位；激光清洗能清除各种质地表面的不同类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度，而且激光清洗还可以选择性地清洗表面的污物，不损伤内部组成和结构；激光清洗是一种“干式”清洗，不需要清洁液或其他化学溶液，因此没有化学清洗产生的环境污染问题，去除的废料基本上都是固体粉末，体积小，易于收集，基本上不造成污染，是一种绿色的清洗工艺；激光清洗效率高，节省时间。

综上所述，激光清洗技术是现代高科技产物，想要熟练掌握这种技术和方法，需要在实践中花费更多时间，结合一些传统的修复方法使用，从而达到理想的修复效果。