论激光清洗在文物维修中的应用

论激光清洗在文物维修中的应用

阮競芸

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

摘 要：文物历史悠久，但是，其表面都附着着很难清除的污染物。另外，在科技不发达的年代，使用不恰当的维修材料和方法保护文物，会对其造成二次污染。激光清洗作为一种新型的清洗技术，在欧美的古建筑和文物维修中备受重视，这与激光技术无可比拟的优点是分不开的。它既是传统清洗工艺的补充，甚至还代替了传统清洗技术。

关键词：激光清洗；文物保护；古建维修；清洗工艺

中图分类号：G264.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）22-0001-02

1 什么是激光

1.1 激光简介

激光的英文名LASER是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射光扩大”，它描述了制造激光的主要过程。激光是20世纪以来人类的重大发明之一，在现代社会中被广泛应用，与人们的日常生活有着密切的联系，比如光纤通信、激光切割、激光扫描等，都是激光的常见应用形式。

1.2 激光原理

激光实际上是光与物质的相互作用，一切物质都是由微观粒子构成的。这些组成物质的微观粒子在吸收或辐射光子的过程中，自身的运动状况会发生改变，而这种改变的外在表现就是激光。

1.3 激光特点

1.3.1 定向发光

普通光源是向四面八方发光，而要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光本身就是朝一个方向射出的，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1.3.2 亮度极高

激光亮度极高主要源自定向发光，将大量的光子限制在一个极小的空间范围内再射出，这样，其能量密度自然就高了。

1.3.3 能量巨大

激光能量本身并不是很大，但是，能量密度大（一般集中在一个点上），所以，短时间内就可以聚集起大量的能量。

1.4 激光器种类

根据产生激光的媒质，可以把激光器分为气体激光器、液体激光器和固体激光器等。文物保护和古建筑维修时通常选用固体激光器。

2 激光清洗技术

2.1 激光清洗原理

传统的清洗工艺主要包括机械方法和化学方法两种。机械清洗不论是用微砂粒、玻璃粉末、石头粉末、高压炉炉渣冲洗，还是用高压蒸汽法清洗，都属于物理接触，一定会对物体表面造成损伤。而使用化学试剂清洗污染物，其腐蚀性和穿透性会对物体造成永久的、不可恢复的伤害。

激光清洗是一种新型的表面处理技术。它利用激光强度高、能量密度大、聚焦性强和方向性好的特点，通过透镜组合将光束聚焦到一个很小的区域中，破坏污染物和物体表面之间的作用力，使污染物从文物表面剥离而不损伤其基体。激光束令不同污染物、不同基体材料之间发生不同的物理、化学效应，归纳起来大致可以分为以下三种：①激光能量被物体表面附着的污染物吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波，进而将污染物从物体表面剥离；②使用高频率激光脉冲冲击物体表面，在其表面形成共振，将污染物变成碎片，然后剔除；③利用激光自身巨大的能量，将焦点聚集在污染物表面，使温度高达数万度，能瞬间分解污染物，从而实现清洗的目的。

综上所述，激光清洗技术是利用激光粒子的热膨胀、激光脉冲的振动和分子的光分解或相变三种作用或它们的联合作用达到清洗的目的。

2.2 激光清洗机

适用于激光清洗的机器首推固体激光器，而多使用的是Nd：YAG激光。因为Nd：YAG激光可以通过光纤传输，所以，它被广泛应用在激光清洗中。

该机器主要由出光手柄、激光器、导光臂、吸尘器、污物收集盒、电源和冷却集成系统等组成的。系统虽然复杂，但是可以搬运，既可在室内使用，也可在室外使用。

2.3 激光清洗的优势

与传统的清洗方法相比，激光清洗具有非常明显的优势，可以在不需要接触的情况下处理和剥离污染物，而且适用于各种不同的材质，不会对文物造成损伤，因此，它是当前最安全、最合理的文物清洗技术。

激光清洗的优势包括以下几点：①它是“绿色”清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液。②通过设定不同的激光参数，控制激光光束的参数，比如光斑大小、重复频率等，能精确定位清洗所需要的激光能量和面积。③它可以与机器手相配合实现远距离操作，能清洗传统方法不容易清洁的部位。④它能够清除多种材料表面、各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。同时，它还可以有选择性地清洗材料表面的污染物，做到既不伤害文物，又能清掉污染物。⑤激光清洗效率高，可以节省时间。⑥虽然激光清洗系统前期投入较高，但可长期稳定使用，运行成本极低（2011年，0.6～6欧元/h）。

2.4 激光清洗使用范围

激光清洗可以应用于整个石质建筑中，也可以应用到一个精美石雕上，它们都能被很好地清洗。此外，可以将激光清洗应用于很多材质上，比如青铜器、玻璃、纸张、布面（油画）、皮质（羊皮卷）和壁画等。

3 激光清洗运用实例

3.1 国外使用激光清洗文物实例

早在20世纪70年代，激光清洗就在欧美等国被使用。但是，由于技术不完善、机器笨重和高昂的清洗费用，使得激光清洗一度陷入低迷状态，不受人们的重视。随着技术的发展和已经慢慢取代了传统的清洗方式，成为主流。

3.2 激光清洗在中国的运用和发展

激光清洗在我国仍然处于初步发展和研究探索的阶段。2011-11，我国自主研发的第一台石质文物激光清洗机问世。它是由中国工程物理研究院激光聚变研究中心研制成功的机器，是文物保护技术的一大突破。目前，使用此机器已经成功对云冈石窟、四川乐山大佛、嵩山少林寺的建筑物和石碑进行了多次的小面积清洗，效果十分理想，没有损坏石质文物。特别要注意的是，此激光清洗机只能清洗没有颜色的石质文物。如何清洗有颜色的文物和书画、竹简、青铜器等文物是下一步要突破的技术难关。

4 结束语

总而言之，激光清洗与传统清洗相比，有无法比拟的优点。激光清洗能实现“指哪儿打哪儿”的目的，无论多小面积的污渍都能精准的清洗。到目前为止，全世界都没有报告指出激光清洗会对文物造成损坏，所以，它是未来文物保护的主要发展技术之一。对相关技术人员而言，应该加快研究步伐，努力克服激光设备昂贵对其普及造成的影响，确保激光清洗技术可以被广泛应用。

参考文献

[1]郭晓艳.激光清洗原理及应用[J].科技资讯，2009（8）.

〔编辑：白洁〕

论激光清洗在文物维修中的应用

阮競芸

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

摘 要：文物历史悠久，但是，其表面都附着着很难清除的污染物。另外，在科技不发达的年代，使用不恰当的维修材料和方法保护文物，会对其造成二次污染。激光清洗作为一种新型的清洗技术，在欧美的古建筑和文物维修中备受重视，这与激光技术无可比拟的优点是分不开的。它既是传统清洗工艺的补充，甚至还代替了传统清洗技术。

关键词：激光清洗；文物保护；古建维修；清洗工艺

中图分类号：G264.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）22-0001-02

1 什么是激光

1.1 激光简介

激光的英文名LASER是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射光扩大”，它描述了制造激光的主要过程。激光是20世纪以来人类的重大发明之一，在现代社会中被广泛应用，与人们的日常生活有着密切的联系，比如光纤通信、激光切割、激光扫描等，都是激光的常见应用形式。

1.2 激光原理

激光实际上是光与物质的相互作用，一切物质都是由微观粒子构成的。这些组成物质的微观粒子在吸收或辐射光子的过程中，自身的运动状况会发生改变，而这种改变的外在表现就是激光。

1.3 激光特点

1.3.1 定向发光

普通光源是向四面八方发光，而要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光本身就是朝一个方向射出的，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1.3.2 亮度极高

激光亮度极高主要源自定向发光，将大量的光子限制在一个极小的空间范围内再射出，这样，其能量密度自然就高了。

1.3.3 能量巨大

激光能量本身并不是很大，但是，能量密度大（一般集中在一个点上），所以，短时间内就可以聚集起大量的能量。

1.4 激光器种类

根据产生激光的媒质，可以把激光器分为气体激光器、液体激光器和固体激光器等。文物保护和古建筑维修时通常选用固体激光器。

2 激光清洗技术

2.1 激光清洗原理

传统的清洗工艺主要包括机械方法和化学方法两种。机械清洗不论是用微砂粒、玻璃粉末、石头粉末、高压炉炉渣冲洗，还是用高压蒸汽法清洗，都属于物理接触，一定会对物体表面造成损伤。而使用化学试剂清洗污染物，其腐蚀性和穿透性会对物体造成永久的、不可恢复的伤害。

激光清洗是一种新型的表面处理技术。它利用激光强度高、能量密度大、聚焦性强和方向性好的特点，通过透镜组合将光束聚焦到一个很小的区域中，破坏污染物和物体表面之间的作用力，使污染物从文物表面剥离而不损伤其基体。激光束令不同污染物、不同基体材料之间发生不同的物理、化学效应，归纳起来大致可以分为以下三种：①激光能量被物体表面附着的污染物吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波，进而将污染物从物体表面剥离；②使用高频率激光脉冲冲击物体表面，在其表面形成共振，将污染物变成碎片，然后剔除；③利用激光自身巨大的能量，将焦点聚集在污染物表面，使温度高达数万度，能瞬间分解污染物，从而实现清洗的目的。

综上所述，激光清洗技术是利用激光粒子的热膨胀、激光脉冲的振动和分子的光分解或相变三种作用或它们的联合作用达到清洗的目的。

2.2 激光清洗机

适用于激光清洗的机器首推固体激光器，而多使用的是Nd：YAG激光。因为Nd：YAG激光可以通过光纤传输，所以，它被广泛应用在激光清洗中。

该机器主要由出光手柄、激光器、导光臂、吸尘器、污物收集盒、电源和冷却集成系统等组成的。系统虽然复杂，但是可以搬运，既可在室内使用，也可在室外使用。

2.3 激光清洗的优势

与传统的清洗方法相比，激光清洗具有非常明显的优势，可以在不需要接触的情况下处理和剥离污染物，而且适用于各种不同的材质，不会对文物造成损伤，因此，它是当前最安全、最合理的文物清洗技术。

激光清洗的优势包括以下几点：①它是“绿色”清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液。②通过设定不同的激光参数，控制激光光束的参数，比如光斑大小、重复频率等，能精确定位清洗所需要的激光能量和面积。③它可以与机器手相配合实现远距离操作，能清洗传统方法不容易清洁的部位。④它能够清除多种材料表面、各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。同时，它还可以有选择性地清洗材料表面的污染物，做到既不伤害文物，又能清掉污染物。⑤激光清洗效率高，可以节省时间。⑥虽然激光清洗系统前期投入较高，但可长期稳定使用，运行成本极低（2011年，0.6～6欧元/h）。

2.4 激光清洗使用范围

激光清洗可以应用于整个石质建筑中，也可以应用到一个精美石雕上，它们都能被很好地清洗。此外，可以将激光清洗应用于很多材质上，比如青铜器、玻璃、纸张、布面（油画）、皮质（羊皮卷）和壁画等。

3 激光清洗运用实例

3.1 国外使用激光清洗文物实例

早在20世纪70年代，激光清洗就在欧美等国被使用。但是，由于技术不完善、机器笨重和高昂的清洗费用，使得激光清洗一度陷入低迷状态，不受人们的重视。随着技术的发展和已经慢慢取代了传统的清洗方式，成为主流。

3.2 激光清洗在中国的运用和发展

激光清洗在我国仍然处于初步发展和研究探索的阶段。2011-11，我国自主研发的第一台石质文物激光清洗机问世。它是由中国工程物理研究院激光聚变研究中心研制成功的机器，是文物保护技术的一大突破。目前，使用此机器已经成功对云冈石窟、四川乐山大佛、嵩山少林寺的建筑物和石碑进行了多次的小面积清洗，效果十分理想，没有损坏石质文物。特别要注意的是，此激光清洗机只能清洗没有颜色的石质文物。如何清洗有颜色的文物和书画、竹简、青铜器等文物是下一步要突破的技术难关。

4 结束语

总而言之，激光清洗与传统清洗相比，有无法比拟的优点。激光清洗能实现“指哪儿打哪儿”的目的，无论多小面积的污渍都能精准的清洗。到目前为止，全世界都没有报告指出激光清洗会对文物造成损坏，所以，它是未来文物保护的主要发展技术之一。对相关技术人员而言，应该加快研究步伐，努力克服激光设备昂贵对其普及造成的影响，确保激光清洗技术可以被广泛应用。

参考文献

[1]郭晓艳.激光清洗原理及应用[J].科技资讯，2009（8）.

〔编辑：白洁〕

论激光清洗在文物维修中的应用

阮競芸

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

摘 要：文物历史悠久，但是，其表面都附着着很难清除的污染物。另外，在科技不发达的年代，使用不恰当的维修材料和方法保护文物，会对其造成二次污染。激光清洗作为一种新型的清洗技术，在欧美的古建筑和文物维修中备受重视，这与激光技术无可比拟的优点是分不开的。它既是传统清洗工艺的补充，甚至还代替了传统清洗技术。

关键词：激光清洗；文物保护；古建维修；清洗工艺

中图分类号：G264.3 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）22-0001-02

1 什么是激光

1.1 激光简介

激光的英文名LASER是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“受激辐射光扩大”，它描述了制造激光的主要过程。激光是20世纪以来人类的重大发明之一，在现代社会中被广泛应用，与人们的日常生活有着密切的联系，比如光纤通信、激光切割、激光扫描等，都是激光的常见应用形式。

1.2 激光原理

激光实际上是光与物质的相互作用，一切物质都是由微观粒子构成的。这些组成物质的微观粒子在吸收或辐射光子的过程中，自身的运动状况会发生改变，而这种改变的外在表现就是激光。

1.3 激光特点

1.3.1 定向发光

普通光源是向四面八方发光，而要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光本身就是朝一个方向射出的，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。

1.3.2 亮度极高

激光亮度极高主要源自定向发光，将大量的光子限制在一个极小的空间范围内再射出，这样，其能量密度自然就高了。

1.3.3 能量巨大

激光能量本身并不是很大，但是，能量密度大（一般集中在一个点上），所以，短时间内就可以聚集起大量的能量。

1.4 激光器种类

根据产生激光的媒质，可以把激光器分为气体激光器、液体激光器和固体激光器等。文物保护和古建筑维修时通常选用固体激光器。

2 激光清洗技术

2.1 激光清洗原理

传统的清洗工艺主要包括机械方法和化学方法两种。机械清洗不论是用微砂粒、玻璃粉末、石头粉末、高压炉炉渣冲洗，还是用高压蒸汽法清洗，都属于物理接触，一定会对物体表面造成损伤。而使用化学试剂清洗污染物，其腐蚀性和穿透性会对物体造成永久的、不可恢复的伤害。

激光清洗是一种新型的表面处理技术。它利用激光强度高、能量密度大、聚焦性强和方向性好的特点，通过透镜组合将光束聚焦到一个很小的区域中，破坏污染物和物体表面之间的作用力，使污染物从文物表面剥离而不损伤其基体。激光束令不同污染物、不同基体材料之间发生不同的物理、化学效应，归纳起来大致可以分为以下三种：①激光能量被物体表面附着的污染物吸收，形成急剧膨胀的等离子体，产生冲击波，进而将污染物从物体表面剥离；②使用高频率激光脉冲冲击物体表面，在其表面形成共振，将污染物变成碎片，然后剔除；③利用激光自身巨大的能量，将焦点聚集在污染物表面，使温度高达数万度，能瞬间分解污染物，从而实现清洗的目的。

综上所述，激光清洗技术是利用激光粒子的热膨胀、激光脉冲的振动和分子的光分解或相变三种作用或它们的联合作用达到清洗的目的。

2.2 激光清洗机

适用于激光清洗的机器首推固体激光器，而多使用的是Nd：YAG激光。因为Nd：YAG激光可以通过光纤传输，所以，它被广泛应用在激光清洗中。

该机器主要由出光手柄、激光器、导光臂、吸尘器、污物收集盒、电源和冷却集成系统等组成的。系统虽然复杂，但是可以搬运，既可在室内使用，也可在室外使用。

2.3 激光清洗的优势

与传统的清洗方法相比，激光清洗具有非常明显的优势，可以在不需要接触的情况下处理和剥离污染物，而且适用于各种不同的材质，不会对文物造成损伤，因此，它是当前最安全、最合理的文物清洗技术。

激光清洗的优势包括以下几点：①它是“绿色”清洗方法，不需使用任何化学药剂和清洗液。②通过设定不同的激光参数，控制激光光束的参数，比如光斑大小、重复频率等，能精确定位清洗所需要的激光能量和面积。③它可以与机器手相配合实现远距离操作，能清洗传统方法不容易清洁的部位。④它能够清除多种材料表面、各种类型的污染物，达到常规清洗无法达到的清洁度。同时，它还可以有选择性地清洗材料表面的污染物，做到既不伤害文物，又能清掉污染物。⑤激光清洗效率高，可以节省时间。⑥虽然激光清洗系统前期投入较高，但可长期稳定使用，运行成本极低（2011年，0.6～6欧元/h）。

2.4 激光清洗使用范围

激光清洗可以应用于整个石质建筑中，也可以应用到一个精美石雕上，它们都能被很好地清洗。此外，可以将激光清洗应用于很多材质上，比如青铜器、玻璃、纸张、布面（油画）、皮质（羊皮卷）和壁画等。

3 激光清洗运用实例

3.1 国外使用激光清洗文物实例

早在20世纪70年代，激光清洗就在欧美等国被使用。但是，由于技术不完善、机器笨重和高昂的清洗费用，使得激光清洗一度陷入低迷状态，不受人们的重视。随着技术的发展和已经慢慢取代了传统的清洗方式，成为主流。

3.2 激光清洗在中国的运用和发展

激光清洗在我国仍然处于初步发展和研究探索的阶段。2011-11，我国自主研发的第一台石质文物激光清洗机问世。它是由中国工程物理研究院激光聚变研究中心研制成功的机器，是文物保护技术的一大突破。目前，使用此机器已经成功对云冈石窟、四川乐山大佛、嵩山少林寺的建筑物和石碑进行了多次的小面积清洗，效果十分理想，没有损坏石质文物。特别要注意的是，此激光清洗机只能清洗没有颜色的石质文物。如何清洗有颜色的文物和书画、竹简、青铜器等文物是下一步要突破的技术难关。

4 结束语

总而言之，激光清洗与传统清洗相比，有无法比拟的优点。激光清洗能实现“指哪儿打哪儿”的目的，无论多小面积的污渍都能精准的清洗。到目前为止，全世界都没有报告指出激光清洗会对文物造成损坏，所以，它是未来文物保护的主要发展技术之一。对相关技术人员而言，应该加快研究步伐，努力克服激光设备昂贵对其普及造成的影响，确保激光清洗技术可以被广泛应用。

参考文献

[1]郭晓艳.激光清洗原理及应用[J].科技资讯，2009（8）.

〔编辑：白洁〕