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LIB-Spektroskopie zur Online-Überwachung bei der Laserreinigung von Kulturgütern

Der Laserabtrag von unerwünschten Deckschichten auf Kulturgütern (z.B. Gemälde, Steinskulpturen, historisches Glas) ist durch ein einheitliches Problem gekennzeichnet: Nach dem Abtrag der Deckschicht muss gewährleistet sein, dass die Laserstrahlung die darunter liegende Originaloberfläche des Kulturgutes nicht beschädigt. Nur in wenigen Ausnahmefällen funktioniert der sogenannte "Selbstbegrenzungs-Effekt", bei dem im Idealfall die Laserstrahlung von der Deckschicht absorbiert und von der darunter liegenden Originaloberfläche reflektiert wird (z.B. schwarze Kruste auf weißem Marmor).

Ein weiteres Problem stellen die natürlichen Ablagerungen auf Kulturgütern dar, die häufig über einen sehr komplexen und inhomogenen Aufbau verfügen. Der Restaurator benötigt daher zur Unterstützung während der Laserreinigung eine geeignete Prozesskontrolle.
Verschiedene Verfahren wurden hierzu in der letzten Zeit erforscht. Im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Laserzentrum FH Münster (LFM) und dem griechischen Forschungsinstitut FO.R.TH. auf Kreta wurde die „Laser Induced Breakdown spectroscopy (LIBS)“ eingesetzt. Während des Laserabtrags bei hohen Intensitäten von einigen 10 MW/cm² entsteht auch ein Plasma (Abb. 1), das spektroskopisch analysiert wird. Das Plasmaspektrum charakterisiert die jeweils abgetragene Schicht. Da der Laserabtrag pro Puls (z. B. Eximer-Laser / 248 nm) nur wenige µm beträgt und das Spektrum nach jedem Puls aktualisiert wird, ist so eine präzise Abtragskontrolle möglich. Abb. 2 zeigt beispielsweise die Entwicklung des Plasmaspektrums während der Laserreinigung eines mit hartem Wetterstein verkrusteten Glasfragmentes von der Außenverglasung des Kölner Doms aus dem 13. Jahrhundert. Für den Anwender in der Praxis reicht es aus, einige signifikante Peaks des Spektrums während des Laserabtrags zu beobachten, um den Abtragsvorgang rechtzeitig zu stoppen. Heute werden hierfür komplexe Spektrometeranordnungen mit "Intensified CCD-Arrays" eingesetzt.
In diesem Vorhaben wird durch Verwendung eines low-cost Miniatur-Faserspektrometers mit einfachem CCD-Array ein alternativer Weg beschritten: die erheblich geringere spektrale Auflösung sowie geringere Empfindlichkeit ermöglichen zwar nicht die Identifikation einzelner Spektrallinien, jedoch die Aufnahme eines breitbandigen "spektralen Fingerprints". Dieser ist für jedes Deckschichtmaterial charakteristisch. Erste Untersuchungen haben dies bestätigt. Weitere F&E-Arbeiten bis hin zur Demonstration in einer Pilotanlage werden in diesem Vorhaben durchgeführt. Für den Anwender in der Praxis ermöglicht dieses Verfahren eine erhebliche Reduzierung des apparativen Aufwandes, einfache Handhabung und deutlich reduzierte Kosten.

 

Projektleitung



Fachbereich Physikingenieurwesen
Stegerwaldstraße 39
48565 Steinfurt
Tel: 02551 9-62322
Fax: 02551 9-62490

dickmannfh-muensterde

Projektzeitraum


seit 01.03.2005

Kooperationspartner


  • Foundation of Research and Technology Hellas (FO.R.TH.); Prof. C. Fotakis/Kreta
  • Restaurator A. Eimers
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