Laser based intervention in archaeological materials and museum artifacts

Abstract

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.