Determining safe laser conditions for the cleaning of historic stained-glasses by laser ablation

Abstract

New ultra-short pulsed lasers open new opportunities in the developing of new safe restoration techniques to be applied in stained-glass samples. The pulse duration that are available limit the volume of the sample that it is affected when these lasers are focused on a surface. This allows developing laser cleaning protocols that facilitates the elimination of external layers without deteriorating the layers that are below them, in this case, the glass or the grisaille. In this work, the use of a 238 fs UV laser has been studied. It has been determined that this laser can induced two types of damage on the glass. A mechanical one associated with the ablation of the sample surface and an optical one, associated with a change in color that modifies the transmittance spectra of the glasses and increases the absorption level in the UV range of the spectra. The mechanical and optical damage thresholds have been determined on microscope slides and on contemporary stained-glass samples with different colors. In colorless samples, the damage thresholds can be measured using the Lui method that allows to measure the size of the laser beam and the level of energy to damage the sample. Using these results, it has been possible to define some laser cleaning protocols on stained-glass samples painted with permanent ink. Good results are obtained in a multi-step process in which the initial step is performed with a higher level of energy in order to remove a high percentage of the ink layer and after the cleaning is finished using several steps with energy levels below the optical damage threshold; Determinação de condições seguras de laser para a limpeza de vitrais históricos por ablação a laser RESUMO: Novos lasers pulsados ultracurtos abrem novas oportunidades no desenvolvimento de novas técnicas seguras de restauração a serem aplicadas em amostras de vitrais. A duração do pulso disponível limita o volume da amostra que é afetado quando esses lasers são focados em uma superfície. Isso permite desenvolver protocolos de limpeza a laser que facilitam a eliminação de camadas externas sem deteriorar as camadas que estão abaixo delas, neste caso, o vidro ou a grisalha. Neste trabalho, foi estudado o uso de um laser UV de 238 fs. Foi determinado que este laser pode induzir dois tipos de danos no vidro. Uma mecânica associada à ablação da superfície da amostra e uma óptica, associada a uma mudança de cor que modifica os espectros de transmitância dos vidros e aumenta o nível de absorção na faixa UV dos espectros. Os limites de danos mecânicos e ópticos foram determinados em lâminas de microscópio e em amostras de vitrais contemporâneos com cores diferentes. Em amostras incolores, os limites de dano podem ser medidos usando o método Lui que permite medir o tamanho do feixe de laser e o nível de energia para danificar a amostra. A partir desses resultados, foi possível definir alguns protocolos de limpeza a laser em amostras de vitrais pintados com tinta permanente. Bons resultados são obtidos em um processo de várias etapas em que a etapa inicial é realizada com um nível de energia maior para remover uma alta porcentagem da camada de tinta e após a limpeza ser finalizada usando várias etapas com níveis de energia abaixo do dano óptico limite.