Παραμετρική μελέτη για την ανάπτυξη μεθοδολογίας αναφορικά με την αφαίρεση με laser βιολογικών επικαθίσεων από λίθινα γλυπτά
Creators: name: Κούρτη, Ελένη Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Καθαρισμός λέιζερ
Βιοδιάβρωση
Μεθοδολογία 2λ
Laser cleaning
Biodeterioration
2λ methodology

description: Κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, διεξάχθηκε παραμετρική μελέτη για τον αποτελεσματικό καθαρισμό με λέιζερ λίθινων αντικειμένων με βιολογική επικάθιση. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν θραύσματα ασβεστόλιθου από την ευρύτερη αρχαιολογική περιοχή της Ηπείρου, με παρουσία βιολογικών παραγόντων στην επιφάνεια τους. Εφαρμόστηκαν διαφορετικοί συνδυασμοί παραμέτρων του λέιζερ, ώστε να προσδιοριστεί η βέλτιστη μεθοδολογία καθαρισμού για την αποτελεσματική αφαίρεση της βιοδιάβρωσης από την λίθινη επιφάνεια, χωρίς να επηρεάζεται η ακεραιότητα του λίθινου υποστρώματος. Μια από τις βασικές παραμέτρους καθαρισμού που μελετήθηκαν ήταν το κατάλληλο μήκος κύματος της δέσμης του λέιζερ. Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκαν μεμονωμένα η υπέρυθρη ακτινοβολία (1064nm), η ορατή ακτινοβολία (532nm), καθώς και ο συνδυασμός των δυο μηκών κύματος σε χωρική και χρονική αλληλοεπικάλυψη. Επίσης διερευνήθηκε ποια ήταν η βέλτιστη τιμή της πυκνότητας ενέργειας του μήκους κύματος, ή η βέλτιστη αναλογία τιμών πυκνοτήτων ενέργειας σε περίπτωση χρήσης του συνδυασμού των δυο μηκών κύματος. Ακόμη μελετήθηκαν ο βέλτιστος αριθμός των παλμών που θα εφαρμοστούν, καθώς και η επίδραση της υγρασίας στον καθαρισμό. Η αξιολόγηση των δοκιμών καθαρισμού με λέιζερ πραγματοποιήθηκε με τη χρήση οπτικής μικροσκοπίας, για την παρατήρηση της μικροδομής των επιφανειών πριν και μετά τον καθαρισμό, καθώς και με τη χρήση φασματοσκοπίας φθορισμού επαγόμενου από LED. Με τη χρήση φασματοσκοπίας συγκρίνονταν φάσματα φθορισμού των λίθινων θραυσμάτων πριν και μετά τον καθαρισμό. Ο δείκτης αναλογίας φθορισμού R που προκύπτει από τα φάσματα φθορισμού, συσχετίζει το φθορισμό του υποκείμενου υποστρώματος με τον φθορισμό των υπερκείμενων φθοροφόρων που περιέχονται στις βιολογικές επικαθίσεις. Έτσι παρέχεται η δυνατότητα για έναν άμεσο ημι-ποσοτικό έλεγχο του καθαρισμού με λέιζερ. Η χρήση του θεμελιώδους μήκους κύματος (1064nm) που εκπέμπεται από ένα Nd:YAG λέιζερ είναι μια καθιερωμένη προσέγγιση στο πεδίο του καθαρισμού αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομίας με λέιζερ. Στην παρούσα εργασία αξιοποιείται η προσέγγιση αυτή, προσαρμοσμένη, όμως, στις ανάγκες του εποικισμένου ασβεστολιθικού υποστρώματος, συνδυάζοντάς την με τη δέσμη των 532nm. Η επιλογή του συνδυασμού με το ορατό μήκος κύματος βασίζεται στο γεγονός ότι απορροφάται ισχυρότερα από τις συγκεκριμένες επικαθίσεις. Το προτεινόμενο σχήμα συνεισφέρει στη βελτιστοποίηση της μεθοδολογίας καθαρισμού βιολογικών επικαθίσεων με λέιζερ και στην επίλυση κρίσιμων προβλημάτων που διέπουν κινητά ή ακίνητα μνημεία πολιτιστικής κληρονομίας, εκτεθειμένα σε εξωτερικό περιβάλλον.
description: The main object of this thesis is the investigation of operative parameters for the efficient laser cleaning of stone objects with biological film. For this purpose, fragments of limestone originating from an archaeological site in Epirus with biological presence were chosen, to test and study the laser cleaning parameters and their results. A variety of parameters were studied, in order to determine the most efficient removal of the biofilm, in a way that wouldn’t affect the consistency, morphology and value of the substrate’s material. One of the principal operative parameters studied was the wavelength of the laser beam. In this respect the fundamental (in the IR with wavelength λ=1064nm) and the 2nd harmonic (in the visible wavelength λ=532nm) beams, emitted from a Nd:YAG laser, were investigated. Experiments took place for the use of each beam, as well as their combination in spatial and temporal overlapping. It was also studied the optimal energy density of the operative laser beam, or the optimal ratio of energy density of each beam, in the case of their combined use. Last but not least, the optimal number of pulses was defined, as well as the effect of water application on the surface prior the ablation. To evaluate the results of the laser cleaning tests optical microscopy and LED IF analysis were used. Employing such techniques made possible the observation of the micro-structure of the surface and the comparison of fluorescence spectra of the target areas before and after the cleaning interventions, respectively. The Fluorescence Ratio (R) extracted from the spectra, which describes the relationship between the Fluorescence Intensity of the substrate and the biofilm’s fluorophores, helps to get a better insight into the quality of the cleaning process. In the context of this thesis, the well-established and efficient laser cleaning regime of the fundamental wavelength (1064nm) of a Nd:YAG laser, adapted to the needs of the biodeteriorated limestone, and combined with the visible 532nm wavelength was used. In this way, it contributes to the scientific conversation about the methodology of laser cleaning of biodeteriorated Cultural Heritage and about the problems of outdoor monuments and archeological objects.