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Results of a round-robin experiment in multiple-pulse LIDT measurement with ultrashort pulses
(2004)
Laser cleaning for works of art on paper might be a supplemental, noncontact method to overcome some of the limitations of traditional dry cleaning techniques. Three different types of paper (pure-cellulose filter paper, rag paper, and wood-pulp paper) were mechanically soiled with pulverized charcoal in a standardized procedure to make model samples. These samples were characterized microscopically and by means of lightness measurements using a multi-spectral imaging system. A prototype laser workstation with Laser Class I conditions for the operator was used for the cleaning experiments. For 10-ns laser pulses at a wavelength of 532 nm, a set of laser parameters was established for a successful cleaning of the samples avoiding damage to the paper substrate. Single- and multi-pulse illumination conditions were tested. An extensive microscopic analysis after laser treatment of the cleaned parts of the samples provided insight into the remaining soiling on the surface and in the bulk of the paper material.
Laser cleaning of soiled paper is a challenging task due to the fact that a contamination has to be removed and a fragile organic material has to be preserved. The ejection of particles forms a significant channel for the removal of unwanted surface contaminations and can be exploited for an in-situ monitoring of the cleaning procedure. 532-nm-nanosecond single and multi pulse laser cleaning of artificially soiled Whatman© paper was performed. Particles were registered with a dust monitor. These in-situ experiments were combined with ex-situ investigations of cleaning and substrate damage thresholds by means of light and scanning electron microscopic techniques. The cleaning efficiency measured by a multi-spectral imaging system was compared to the in-situ particle monitoring. Additionally, possible color changes of the paper substrate were evaluated.
Diese Arbeit beschreibt die Laserreinigung von gebräuchlichen Papieren des 19. Jahrhunderts in Kombination mit zwei Schmutzvarianten. Aufgrund der weiten Verbreitung in Bibliotheken und Kunstsammlungen wurden Hadernpapier und holzhaltiges Papier ausgewählt. Als Referenz diente Whatman-Filterpapier. Zur künstlichen Verschmutzung wurden Zeichenkohle oder Standardschmutz (Standard Test Dust SAE J 726 fine, mit Flammruß im Verhältnis 20:1 gemischt) mit Hilfe von Pinsel und Staubsauger jeweils auf die drei Papierarten aufgetragen und in den Faserverbund eingesaugt. Die Nutzung von Modellproben erweist sich für grundlegende Untersuchungen als vorteilhaft, da das Vorhandensein hinreichend großer Flächen (gleichartiger Objekte) für einen Vergleich mit Ergebnissen klassischer Reinigungstechniken unabdingbar ist. Die preiswerten Proben erlauben darüber hinaus auch die Anwendung zerstörender Analysetechniken.
Für die Laserreinigungsexperimente wurde ein Nd:YAG-Laser mit Impulsdauern in der Größenordnung von 10 ns bei 532 nm Wellenlänge und einer Repetitionsrate von 500 Hz verwendet. Die Laser-Bearbeitungsstation erlaubt die flächige Bearbeitung von Objekten, wobei der Laserstrahl bewegt wird. Der Laser wird mittels Computer ferngesteuert und unter Klasse-1-Sicherheitsbedingungen betrieben. Bei der Untersuchung der Modellproben wurde jeweils die Anzahl der Impulse pro Probenstelle sowie die Laser-Energiedichte variiert. Ziel der Arbeiten war die Ermittlung eines Laser-Arbeitsbereiches für die Reinigung der verschiedenen Papierproben. Die Modellobjekte wurden vor und nach der Laserbehandlung mittels lichtmikroskopischer, rasterelektronenmikroskopischer und colorimetrischer Analysemethoden untersucht.
Damage experiments of absorbing filters (Schott BG18 and BG36) were performed with Ti:sapphire laser pulses with durations from 30 fs to 340 fs (800 nm, 1 kHz) in air. The direct focusing technique was employed under single- and multi-pulse irradiation conditions. Ablation threshold fluences were determined from a semi-logarithmic plot of the ablation crater diameter vs. laser fluence. The damage threshold fluence decreases for shorter pulse durations. In the investigated pulse duration range, the measured multi-pulse ablation threshold fluences are practically similar to those of undoped glass material (~1 Jcm-2). That means that the multi-pulse ablation threshold is independent on the doping level of the filters. For more than 100 pulses per spot and all pulse durations applied, the threshold fluence saturates. This leads to technically relevant damage threshold values in the femtosecond laser pulse duration domain.