Feasibility studies on applying UV-lasers for the removal of superficial deposits from historic glass

Abstract

AbstractFeasibility studies on applying laser radiation for the removal of superficial deposits from historic glass are being carried out within a three-year interdisciplinary project in Germany. Previous investigations revealed that there is insufficient knowledge about interaction processes between UV-laser radiation and individual surface layers of encrusted historic glass. Therefore, detailed studies were first carried out on special model glass samples to simulate different stages in the corrosion of historic glass. The potential of UV-lasers for removing crusts and biolayers, as well as layers of various conservation materials (due to previous conservation work) is examined. It is of great importance to avoid damage to materials such as gel layers, paint layers or the glass itself. A KrF-excimer laser operating at λ = 248nm is used for the experiments. A mask projection technique is applied for irradiation. A modified optical set-up has been designed, using cylindrical lenses for large-area removal by 'line scanning'. Removal rates and thresholds for the materials mentioned above are monitored. The collected data enable comparison and evaluation of the feasibility of removing superficial layers from historic glass artifacts. The results indicate that in some cases a closed loop process control will be necessary to avoid over-cleaning.Feasibility studies on applying laser radiation for the removal of superficial deposits from historic glass are being carried out within a three-year interdisciplinary project in Germany. Previous investigations revealed that there is insufficient knowledge about interaction processes between UV-laser radiation and individual surface layers of encrusted historic glass. Therefore, detailed studies were first carried out on special model glass samples to simulate different stages in the corrosion of historic glass. The potential of UV-lasers for removing crusts and biolayers, as well as layers of various conservation materials (due to previous conservation work) is examined. It is of great importance to avoid damage to materials such as gel layers, paint layers or the glass itself. A KrF-excimer laser operating at λ = 248nm is used for the experiments. A mask projection technique is applied for irradiation. A modified optical set-up has been designed, using cylindrical lenses for large-area removal by 'line scanning'. Removal rates and thresholds for the materials mentioned above are monitored. The collected data enable comparison and evaluation of the feasibility of removing superficial layers from historic glass artifacts. The results indicate that in some cases a closed loop process control will be necessary to avoid over-cleaning.Un projet interdisciplinaire de trois ans est mis en æuvre en Allemagne, projet portant sur des études de faisabilité du nettoyage au laser de dépôts superficiels sur les verres historiques. Des études antérieures ont montré qu'il y a peu de données sur les processus d'interaction entre le rayonnement laser UV et les couches superficielles trouvées sur les verres historiques. C'est pourquoi des études poussées ont tout d'abord été menées sur des échantillons modèles de verre spéciaux afin de simuler les différents états de corrosion des verres historiques. On a étudié le potentiel du laser UV pour éliminer des incrustations et des dėpôts biologiques ainsi que des couches de matériaux de conservation divers (dont la présence est due à des interventions de conservation antérieures). Il est de la plus grande importance d'éviter les dommages à des matériaux tels que les couches de gel, de peinture ou le verre lui-même. On a utilisé pour ces expériences un laser à excimères KrF à une longueur d'onde de λ = 248nm. Une technique de projection à travers un masque a été employée. On a conçu et mis en place une optique modifiée, utilisant des lentilles cylindriques à large champ d'action par balayage linéaire. Les taux d'élimination et les limites supportables pour les matériaux mentionnés plus haut sont surveillés. Les données ainsi recueillies permettent de comparer et d'évaluer la faisabilité du nettoyage des couches de surface pour des objets historiques en verre. Les résultats montrent que, dans certains cas, un contrôle en boucle est nécessaire pour éviter un nettoyage excessif.Eine Machbarkeitsstudie für die Verwendung von Lasern zur Abnahme von Oberflächenschmutz auf historischen Gläsern wurde in einem dreijährigen interdisziplinären Projekt in Deutschland erstellt. Vorhergehende Studien hatten gezeigt, daß man über die Prozesse, die zwischen der Strahlung von UV-Lasern und den jeweiligen Oberflächen von überkrusteten historischen Gläsern ablaufen, zu wenig weiß. Daher wurden zunächst detaillierte Studien an speziellen Modellgläsern durchgeführt, um so die verschiedenen Stadien der Korrosion zu simulieren. Das Potential von UV-Lasern für die Abnahme von Krusten und Biofilmen, aber auch von verschiedenen Konservierungsmitteln (entsprechend vorhergehenden Restaurierungen) wurde untersucht. Von größter Wichtigkeit ist es dabei, eine Schädigung von Gelschichten, Malschichten und des Glases selbst zu vermeiden. Ein bei einer Wellenlängen von λ = 248nm arbeitender KrF-Excimerlaser wurde für die Experimente ausgewählt. Eine Maskenprojektionstechnik wurde für die Strahlung angewendet. Ein modijizierter optischer Aufbau wurde entwickelt, der zylindrische Linsen zur großflächigen Abnahme durch 'line-scanning' nutzt. Die Abnahmeraten und Grenzwerte für die oben genannten Materialien wurden bestimmt. Die gesammelten Daten erlauben einen eine Abschätzung der Machbarkeit der Abnahme von Oberflächenschichten von historischen Glasobjekten. Die Ergebnisse zeigen, daß in manchen Fällen eine geschlossener Kontrollprozeß nötig sein wird, um ein zu starkes Reinigen zu vermeiden.Se están llevando a cabo en Alemania, en un proyecto interdisciplinar a tres años, estudios de viabilidad en la aplicación de la radiación láser para la eliminación de depósitos superficiales en vidrio histórico. Las investigaciones previas revelaron que hay un conocimiento insuficiente de los procesos de interacción entre las radiaciones UV-Iáser y las diversas superficies con incrustaciones en vidrios históricos. Como consecuencia, primeramente se llevaron a cabo estudios detallados en muestras-modelo especiales, con el fin de simular las diferentes fases en la corrosión de estos tipos de vidrio. Se examina el potencial de los láseres UV para eliminar estas concreciones y capas biológicas, así como capas de materiales de restauración empleados en tratamientos previos. Es de suma importancia evitar el daño a los materiales, como capas de gel, capas pictóricas o al vidrio mismo. Para los experimentos se usa un láser KrF-excimer operando a λ = 248nm. Se aplica una técnica de enmascaramiento como protección durante la irradiación. Se diseñó un dispositivo óptico modificado por medio de 'barrido en línea' usando lentes cilíndricas para áreas grandes de limpieza. Se monitorizan los niveles de eliminación de material y umbrales para los materiales arriba mencionados. Los datos recogidos permiten la comparación y evaluación de la factibilidad de la eliminación de capas superficiales en objetos de vidrio histórico. Los resultados indican que en algunos casos se precisa de un proceso de control preciso para evitar limpiezas excesivas.