2026-04-29T08:40:05Zhttps://riubu.ubu.es/oai/requestoai:riubu.ubu.es:10259/78122024-09-19T22:42:16Zcom_10259_2699col_10259_2705
2023-09-15T12:53:00Z
urn:hdl:10259/7812
Laser based intervention in archaeological materials and museum artifacts
Rahman, Md. Ashiqur
Fuente Leis, Germán F. de la
Alonso Abad, Mª Pilar
Schiavon, Nick
Universidad de Burgos. Departamento de Historia, Geografía y Comunicación
Universidade de Évora
Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA)
Láser
Limpieza
Hueso
Piedra
Cerámica
Objeto de hierro
Sierra de Atapuerca
Fuente Mudarra
Patrimonio cultural
Laser
Cleaning
Bone
Stone
Ceramics
Iron object
Cultural heritage
La tecnología láser ha evolucionado rápidamente en las últimas décadas, proporcionando sistemas láser
recientemente desarrollados, que son capaces de emitir en una diversidad de longitudes de onda, potencias y
duraciones de pulso. Además, los láseres modernos se están volviendo compactos en tamaño y, en muchos
casos, portátiles o transportables y sin refrigerante líquidos, lo que allana el camino para su pleno
aprovechamiento en muchas aplicaciones, incluidas las que afectan a la restauración del Patrimonio cultural (PC)
y la conservación de piezas de museos arqueológicos. Incluso hace tiempo los láseres eran más intensivos,
muchos menos compactos y con unas características de emission alejadas de las que ofrecen hoy en día;
aparecieron muchos ejemplos en la historiografía y en la restauración de monumentos, demostrando su potencial
en el campo del PC. Aunque hoy en día los láseres son objeto de muchos trabajos publicados sobre diferentes
piezas arqueológicas y del PC, su uso en estos campos aún necesita más atención y mejoras, particularmente en
vista de sus últimos avances tecnológios. En esencia, las últimas ventajas pueden allanar el camino para
establecer protocolos de limpieza con láser más seguros que puedan ser fáciles de implementar para la
conservación efectiva de superficies frágiles y sensibles. Este trabajo de tesis revisa una amplia gama de
aplicaciones de limpieza láser y los regímenes de interacción láser-material que las acompañan y que pueden
afectar a la conservación de huesos, piedras, cerámicas y objetos de hierro arqueológicos, en un intento de
centrarse en las técnicas metodológicas utilizadas para abordar los desafíos típicos de la limpieza. Dado que a
menudo se ha encontrado que los hallazgos publicados son inconsistentes entre sí, se han identificado
dificultades para hacer coincidir la idoneidad de un procedimiento de limpieza con láser, con un tipo específico
de pieza, lo que sugiere que los resultados de la limpieza con láser dependen del caso.
Los parámetros de irradiación láser controlados que utilizan tecnología láser pulsada de femtosegundos (fs) y
subnanosegundos desarrollada recientemente con una longitud de onda de emisión en los regímenes de infrarrojo
cercano (1030 nm. 1064 nm), visible (515 nm) y ultravioleta (343 nm. 355 nm) han sido evaluados en piezas
arqueológicas desenterradas en varios yacimientos arqueológicos de la Sierra de Arapuerca (Burgos, España).
Los valores de umbral de ablación, daño y limpieza en modo de pulso de ráfaga y esacaneo de haz se han
identificado en la eliminación de contaminantes y productos de degradación mientras se evalúa el daño de la
superficie del sustrato subyacente. También se ha explorado el impacto de la longitud de onda y la duración del
pulso para optimizar los parámetros de emission del láser, localizando así su interacción dentro de la superficie
más externa del sustrato. La longitud de onda (no se ha estudiado este tipo de fenómenos, solo se ha observado
el efecto de diferentes longitudes de onda), la irradiancia y la tasa de repetición de pulsos fieron algunos de los
parámetros considerados para evaluar el potencial que ofrecen estos tipos de láser para una mayor eficiencia de
limpieza.
La microstopía óptica (OM), las cámaras térmicas infrarrojas (IR), la mocroscopía electronica de barrido con
espectrometría de rayos X de dispersion de energía (SEM-EDS), la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X
(XPS), la espectroscopía infrarroja transformada de Fourier (FTIR) y la difractometría de rayos X (XRD) se han
utilizado para caracterizar las piezas contaminadas antes y después del tratamiento con láser, mientras se
evaluaba el grado de daño producido en la superficie de la pieza original.
El estudio revela la capacidad de diferentes láseres en la conservación con éxito de las piezas, lo que indica su
capacidad para eliminar material no deseado con precision a nanoescala, al mismo tiempo que proporciona un
control sobre la profundidad de la ablación, evitando la acumulación de calor, las transformaciones
físicoquímicas y el daño mecánico a las capas subyacentes. El láser pulsado ultrarrápido de femtosegundos en
diferentes longitudes de onda, adaptado a una variedad de problemas de eliminación de contaminantes, parece
ofrecer soluciones atractivas basadas en la selección adecuada de la intensidad del láser y su distribución
temporal y especial para gestionar las interacciones láser-pieza. En esencia, se ha propuesto un protocolo de
limpieza láser específico para cada tipo de superficie de pieza limpiada con láser, debido a la capacidad de
control de los parámetros de irradiación láser y los resultados de los estudios físicoquímicos y de microestructura
mediante los cuales se caracterizaron adecuadamente los cambios en la irradiación láser. Los descubrimientos
de este trabajo de tesis resaltan la importancia de evaluar sistemáticamente los resultados de limpieza para
desarrollar procedimientos de limpieza láser más efecivos, operativos y seguros. Se espera que estos brinden a
los conservadores/ restauradores información muy útil sobre el uso mejorado de los láseres para la preservación
de piezas históricamente relevantes. Además, este trabajo sirve como un valioso punto de partida para los
especialistas en conservación que tienen la intención de investigar más sobre la limpieza de piezas históricas con
láser. La presente tesis finaliza con una serie de casos de estudio que podrían desarrollarse en un futuro próximo
para lograr una limpieza mejorada para la conservación de piezas arqueológicas y del patrimonio cultural.
Laser technology has evolved rapidly over the last decades, providing newly developed laser systems which
are capable of emitting in a diversity of wavelengths, powers and pulse durations. In addition, modern lasers
are becoming compact in size and, in many cases, portable or transportable and without liquid refrigerants,
which paves the way for their full exploitation in many applications, including those which affect
restoration of Cultural Heritage (CH) and preservation of Archaeological museum artifacts. Even at the
time lasers were more intensive, much less compact and with emission characteristics far from what they
offer today, many examples appeared in the literature, and in restoration of monuments, demonstrating their
potential in the CH field. Although nowadays lasers are the subject of many published works on different
archaeological and CH artifacts, their use in these fields still needs more attention and further
improvements, particularly in view of their latest technological advances. In essence, the latter advantages
may pave the way to safer laser cleaning protocols that may be easy to implement for the effective
conservation of fragile and sensitive surfaces. This thesis work reviews a wide range of laser cleaning
applications and the accompanying laser-material interaction regimes that may affect the conservation of
archaeological bones, stones, ceramics and iron objects, in an attempt to focus on the methodological
techniques used to address typical cleaning challenges. Since published findings have been often found to
be inconsistent with each other, difficulties were identified in matching the suitability of a laser cleaning
procedure with a specific type of artifact, suggesting that laser cleaning outcomes are case-dependent.
Controlled laser irradiation parameters using recently developed femtosecond (fs) and sub-nanosecond
pulsed laser technology with an emission wavelength in the near Infrared (1030 nm, 1064 nm), visible (515
nm) and Ultraviolet (343 nm, 355 nm) regimes have been assessed on selected archaeological artifacts
unearthed from several archaeological sites of Sierra de Atapuerca (Burgos, Spain). The ablation, damage
and cleaning threshold values in burst pulse and beam scanning mode have been identified in removing
contaminants and degradation products while assessing the underlying substrate surface damage. The
impact of wavelength and pulse duration has also been explored to optimize the laser's emission parameters,
thus localizing its interaction within the outermost surface of the substrate. Wavelength, irradiance and
pulse repetition rate were among the parameters considered to evaluate the potential that these types of
lasers offer towards an increased cleaning efficiency.
Optical Microscopy (OM), Infrared (IR) Thermal Cameras, Scanning Electron Microscopy with Energy
Dispersive X-ray Spectrometry (SEM-EDS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Fourier Transform
Infrared Spectroscopy (FTIR), and X-ray Diffractometry (XRD) were used to characterize the contaminated
artifacts before and after the laser treatment, while evaluating the degree of damage produced to the original
artifact's surface.
The study reveals the capability of different lasers in the successful conservation of artifacts, indicating
their ability to remove unwanted material with nanoscale precision, while providing control over ablation
depth, avoiding heat accumulation, physicochemical transformations, and mechanical damage to the
underlayers. The ultrafast femtosecond pulsed laser in different wavelengths, adapted to a variety of
contaminant removal problems, appears to offer attractive solutions based on proper selection of laser
intensity and its temporal and spatial distribution to manage laser-artifact interactions. In essence, a specific
laser cleaning protocol was proposed concerning each laser cleaned artifact surface, owing to the
controllability of laser irradiation parameters and the results from physico-chemical and microstructure
studies whereby changes upon laser irradiation were properly characterized. The findings from this thesis
work highlight the importance of systematically assessing the cleaning outcomes to develop more effective,
operative and safer laser cleaning procedures. It is hoped that these will provide conservators/restorers with
very useful information on the improved use of lasers for the preservation of historically relevant artifacts.
In addition, this work serves as a valuable beginning point for conservation specialists who intend to do
more research on the laser cleaning of ancient artifacts. The current thesis finishes with a number of case
studies that might be pursued in the near future to achieve improved cleaning for the preservation of
archaeological and cultural heritage objects.
2023-09-15T12:53:00Z
2023-09-15T12:53:00Z
2022
2022-09-16
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
http://hdl.handle.net/10259/7812
10.36443/10259/7812
eng
info:eu-repo/grantAgreement/EC/H2020/766311/EU/European Doctorate in ARchaeological and Cultural Heritage MATerials science/ED-ARCHMAT/
info:eu-repo/grantAgreement/AEI/Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2017-2020/PGC2018-093925-B-C33/ES/GEOLOGIA, GEOCRONOLOGIA Y PALEOBIOLOGIA DE LOS YACIMIENTOS DE LA SIERRA DE ATAPUERCA VII/
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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