[發明專利]一種建筑石材或石質文物的激光清洗方法

無效

• 申請號: 201210000954.3
• 申請日: 2012-01-05
• 公開（公告）號: CN102500579A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 葉亞云;袁曉東;齊揚;程曉鋒;王海軍;欒曉雨;苗心向;秦朗;王洪彬;趙龍彪;賀群;馬志強
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: B08B7/00
• 分類號: B08B7/00
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;韓志英

技術領域

本發明屬于激光應用技術領域，具體涉及一種建筑石材或石質文物的激光清洗方法。

背景技術

建筑石材或石質文物在長年累月的保存過程中，由于自然風化、人為活動、生物侵蝕、環境污染，使其表面出現了不同種類和程度的表面污染物。這些表面污染物不僅影響美觀，其中的有害成分更嚴重威脅著建筑石材或石質文物的保存。而更換建筑石材，成本太高，石質文物更是無價之寶，因此，研究清除建筑石材或石質文物表面污染物的清洗技術具有重要的社會意義和較大的經濟意義。

目前國內外建筑石材或石質文物表面污染物清除技術有化學清洗、蒸汽噴射清洗、粒子噴射清洗、激光清洗等。在各種清洗技術中，化學清洗的問題是難以判別殘留物對石質物的遠期影響，另外易造成環境污染。蒸汽噴射清洗技術的問題在于，用于表面已劣化的石質物時，會因為蒸汽的高溫造成石質物內外熱脹不均，導致應力破壞。粒子噴射清洗技術會嚴重磨損石質物的表層，特別是一些棱角部位。而激光清洗技術，其原理是利用高功率密度的激光束輻照石質物表面，使表面的污染物發生瞬間的碎裂、蒸發或剝離等效應，脫離物體表面，其特點是清洗效果好、非接觸式、不污染環境、無殘留、安全可靠、節水、可精確控制、適用面廣、運行成本低，特別對于表面精細的石雕石刻，其優勢是許多傳統清洗工藝無法比擬的。

目前公開文獻上所見的激光清洗石材的方法，其定義損傷閾值的方法是利用激光測試表面有污染物的石質物。一篇名為《定義損傷閾值防止在激光清洗Siena的上新世的砂巖中的邊緣效應》（《Determination?of?damage?thresholds?to?prevent?side?effects?in?laser?cleaning?of?Pliocene?sandstone?of?Siena》,?Salvatora?Siano,?Francesca?Fabiani,?Roberto?Pini,?et?al,?J.?Cult.?Heritage,?2000,?1,?S47~S53）的文章提出了利用激光輻照表面有污染物的石質物，得到損傷閾值。但是這種測試方法會由于石質物表面的污染物使得激光能量的一部分用于剝離表面污染物，其余部分才用于使石質物損傷，因而測得的損傷閾值并不是石質物基底本身的損傷閾值，這樣在清洗過程中還是有損傷發生的可能。而對于石質物的清洗，特別是石質文物來說，安全為第一要素，在清洗過程中一定要避免損傷的發生。

另外，目前公開文獻上所見的激光清洗裝飾和石質文物的方法是利用摻釹的釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器進行清洗，其脈寬為納米到微米量級，重復頻率為幾赫茲到幾十赫茲，其清洗機理主要是利用石質物基底與表面污染物對使用激光的吸收系數有較大差別來清除污染物，當基底與表面污染物對激光的吸收系數差別不大時，清洗效果不佳，同時其重復頻率不高，清洗效率較低。?

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種建筑石材或石質文物的激光清洗方法。

本發明的建筑石材或石質文物的激光清洗方法，依次包括如下步驟：

（1）待清洗物質損傷閾值的確定?

對激光器發出的激光進行調焦，使激光在與待清洗物質相同材質的表面無污染的石質材料表面上形成激光光斑，依次升高激光能量密度，發射激光，輻照石質材料表面不同位置，當材料表面出現損傷時的激光能量密度即為與待清洗物質相同材質的表面無污染的石質材料的損傷閾值，即為待清洗物質的損傷閾值。

（2）利用步驟（1）中相同的激光，用低于損傷閾值的激光能量密度，輻照待清洗的建筑石材或石質文物表面，將清洗后的區域與待清洗物表面未沾污部分進行比對，判斷清洗效果，再依次清除待清洗物表面的污染物。

所述的激光器采用氙燈泵浦的固體激光器或者激光二極管泵浦的固體激光器。

所述的氙燈泵浦的固體激光器，激光波長為300nm~1100nm，激光脈沖能量為15mJ~2000?mJ，激光脈寬全寬度為6ns~500μs，激光重復頻率為1Hz~20Hz。

所述的激光二極管泵浦的固體激光器，激光波長為300nm~1100nm，激光脈寬為20ps?~70ps，激光重復頻率為100Hz~2000Hz，激光脈沖能量為1mJ~5?mJ。

所述的氙燈泵浦的固體激光器或激光二極管泵浦的固體激光器的激光在被輻照物表面上形成的激光光斑直徑0.1mm~20mm，激光平均能量密度為0.1J/cm²~5?J/cm²。