کاربرد لیزر در مرمت

فرانک بحرالعلومی – شیوا پورقربان

پژوهشکده حفاظت و مرمت آثار تاریخی- فرهنگی، سازمان میراث فرهنگی کشور

چکیده

از زمان اختراع لیزر در 1960، کاربردهای آن در علوم و فنون مختلف فیزیک، شیمی، زیست شناسی، پزشکی و خصوصاً چشم پزشکی، جوشکاری، برش، سوراخکاری، ترمیم سطح و آلیاژسازی، کاربردهای نظامی، پردازش و ثبت اطلاعات، کاربرد در مرمت اشیاء و... به طور پیوسته گسترش یافته است.

از دهه 1990 میلادی، مرمتگران به مزایای لیزر در حوزه های مختلفی مانند تمیز کردن سطوح، زدودن لایه های اضافی، مستندسازی به وسیله هولوگرافی پی برده اند. امروزه در دنیا بسیاری از کارگاهها و مراکز پژوهشی مرمت مجهز به انواع مختلف لیزر هستند و کارشناسان لیزر با همکاری مرمتگران سعی در استفاده بهینه از این پدیده در مرمت اشیاء و بناهای تاریخی دارند. در این مقاله اصول اولیه لیزر و کاربردهای آن در مرمت، مورد بررسی قرار می گیرد.

مقدمه

لیزر[1] به معنای تقویت نور به وسیله نشر القایی پرتوهاست. با اختراع لیزر در سال 1960 میلادی و گسترش فن‌آوری آن در دهه‌های بعد، سیستم‌های لیزری در اکثر زمینه‌های علوم، مهندسی، پزشکی و … کاربردهای وسیعی یافته‌اند. با به کارگیری لیزر در امر مرمت که در دهه 1990 میلادی توسعه یافته، امروزه دهها مرکز پژوهشی مرمت و حفاظت در سراسر دنیا با همکاری کارشناسان لیزر سعی در استفاده بهینه از این پدیده برای مرمت و حفاظت میراث فرهنگی جهانی دارند. اگرچه در بسیاری از حوزه‌های علمی، امکانات و محدودیت‌های لیزر بررسی و شناخته شده است اما در زمینه مرمت، استفاده از لیزر و شناخت تأثیرات آن بر روی مواد تاریخی هنوز در ابتدای راه است و به دلیل ماهیت خاص این آثار و تأثیرات ناشناخته و احتمالی نور لیزر بر روی آنها، باید با احتیاط در این راه گام برداشت. شناخت دقیق ماهیت لیزر مستلزم تسلط بر رهیافت مکانیک کوانتومی و نظریه الکترومغناطیس و اپتیک، اصول طیف‌نگاری و الکترونیک است. اما در این مقاله سعی شده تا با زبانی ساده و بدون استفاده از فرمولهای ریاضی پیچیده، اصول اولیه لیزر برای کاربران توضیح داده شود. در این مقاله هممچنین به استفاده از لیـــزر در مسـتندسـازی و بکارگیــری آن در تمیز کـــردن سطـوح پرداخته می‌شود.

اصول نظری

برای فهم بهتر ماهیت پرتوی لیزری، ابتدا باید به فرآیندهایی که در بر همکنش میان امواج الکترومغناطیسی با اتم رخ می‌دهد، پرداخت. این فرایندها به طور مختصر و ساده توضیح داده خواهند شد. علاقمندان می‌توانند برای کسب اطلاعات بیشتر به کتب تخصصی لیزر مراجعه نمایند. بر طبق مدل اتمی، الکترونها در اتم به دور مداری که از نظر انرژی مشخص است در گردش‌اند. هنگامی که الکترونی انرژی دریافت می‌کند (مثلاً به وسیله تحریک الکتریکی) به ترازی با انرژی زیادتر منتقل می‌شود. اما الکترون تمایل دارد که به مدار پایین‌تر، یعنی به مداری که انرژی آن کمتر است، بازگردد. در این بازگشت، الکترون مقداری از انرژی خود را به صورت انرژی الکترومغناطیسی از دست می‌دهد. این فر‏آیند را گسیل خود به خود یا گسیل تابشی می‌گویند. نور لامپ معمولی، حاصل تابش خود به خود است. برای انتقال الکترون از تراز انرژی پایین‌تر (انرژی کمتر) به تراز بالاتر (انرژی بیشتر) باید مقدار معینی انرژی صرف کرد. مقدار این انرژی درست برابر با همان انرژی است که الکترون در صورتی که از مدار بالاتر به مدار پایین‌تر سقوط می‌کرد، از دست می‌داد. حال اگر الکترونی در ابتدا در تراز انرژی بالاتر قرار گرفته باشد و فوتونی با انرژی مشخص با این الکترون برهمکنش کند، این جریان الکترون را به سقوط به تراز انرژی پایین‌تر مجبور خواهد کرد. در این سقوط، اتم خود نیز فوتونی تابش می‌کند و فوتون القاکننده بدون آن که تغییری در آن حاصل شده باشد به مسیر خود ادامه می‌دهد و فوتون دوم یعنی القا شونده که در اثر رهاشدن انرژی الکتریکی به وجود آمده است در همان جهت فوتون اول روان می‌شود یعنی در اینجا دو فوتون هم‌فاز که همراه یکدیگر روان هستند، وجود دارد. این فر‏آیند، گسیل القایی نامیده می‌شد. در چشمه‌های نور معمولی (لامپ معمولی، لامپ نئون) قسمت عمده نور، حاصل از گسیل خود به خود است و تنها قسمت کوچکی از آن در اثر گسیل القایی به وجود می‌آید. اما در لیزر، نور تنها از طریق گسیل القایی ایجاد می‌شود. برای ساخت لیزر به سه عامل اصلی نیاز است: محیط فعال، دمش، کاواک لیزر. نیاز اول برای ساخت لیزر، حضور ماده‌ای مناسب برای ایجاد نشر القایی در آن است (محیط فعال). محیط فعال می‌تواند گاز، مایع، جامد یا نیم رسانا باشد. نخستین لیزری که در سال 1960 میلادی توسط میمن ساخته شد، با استفاده از یک میله یاقوت( محیط فعال) باریکه‌ای از نور قرمز پررنگ ایجاد می‌کرد. لیزرهای گازی امروزه متداولترند و در آنها گازهایی مانند آرگون یا دی اکسید کربن محیط فعال را تشکیل می‌دهند. به همین ترتیب، لیزرها از نظر نحوه دمش نیز متفاوت هستند و در لیزر یاقوت، یک منبع نوار پهن مانند لامپ درخششی به کار می‌رود و در لیزرهای گازی، القا در اثر تخلیه الکتریکی انجام می‌شود. برخی واکنش‌های شیمیایی با استفاده از یک لیزر دیگر می‌توانند انرژی ورودی لازم در برخی از انواع لیزر را فراهم کنند. به طور خلاصه هنگامی که مقداری از اتمها و مولکولها از طریق گسیل خود به خود، نوری منتشر می‌کنند، این فوتونها می‌توانند باعث گسیل القایی سایر مولکولهای برانگیخته شوند. اما چون یک بار عبور فوتونها از درون محیط برای کارساز بودن گسیل القایی کافی نیست، لازم است که نور در چندین مرتبه رفت و برگشت در درون محیط فعال، در یک تشدیدگر عبور کند تا افزایش گسیل القایی در هر بار باعث افزایش شدت شود (کاواک لیزر). بدین منظور دو آینه موازی را (یکی تمام بازتابان و دیگری نیمه گذرده) در دو انتهای محیط ایجاد لیزر قرار می‌دهند تا نوری که در راستای عمود بر این آینه نشر می‌شود، به طور کلی به دام افتد و دائماً به عقب و جلو حرکت کند و بر شدت آن افزوده شود و فوتونهایی که به طور خود به خودی در سایر راستاها گسیل شده‌اند، از محیط فعال خارج شده و دیگر در نشر القایی سهم نخواهند داشت. به این ترتیب فوتونهایی که در نزدیکی محور اپتیکی (نوری) قرار دارند در امتداد محور بین دو آینه آمد و شد می‌کنند، به طوریکه در اندک مدتی سیلی از فوتون جاری می‌شود که همگی کم و بیش در امتداد محور اپتیکی در حرکت هستند. در نهایت فوتونهای ایجاد شده در کاواک لیزری آنقدر زیاد می‌شوند که از آینه نیمه‌گذرنده به بیرون رانده شده و پرتو نور لیزر را تولید می‌کنند (شکل 2).

خواص نور لیزر

همدوسی

در نور حاصل از گسیل خود به خود (مثلاً در لامپ معمولی)، فوتونها در جهات مختلف منتشر می‌شوند و هر فوتون با فوتون دیگر اختلاف فاز متفاوتی دارد(نور ناهمدوس) در نور لیزر که ناشی از گسیل القایی است، همه فوتونها همزمان و در یک جهت منتشر می‌شوند. یکی از کاربردهای همدوسی لیزر، هولوگرافی (تمام نگاری) است.

تکفامی یا تکرنگی

در حالی که نور یک چشمه معمولی می‌تواند کلیه طول موجها را در بر داشته باشد، نور لیزر را می‌توان به گونه‌ای بهینه کرد که تنها حاوی یک طول موج معین یا گستره کوچکی از طول موجها باشد. از این خاصیت به ویژه در جداسازی ایزوتوپها استفاده می‌شود.

جهتمندی و پهنای باریکه

نور لیزر اگر در محیط جذب نشود، می‌تواند فواصل زیادی را بدون افت شدت طی کند. نور لیزر، باریکه‌ای نازک و اساساً موازی است. زاویه واگرایی باریکه می‌تواند مقداری حدود 1 میلی رادیان باشد که در فاصله یک کیلومتری، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن کند. این خاصیت لیزر، امکان نظارت بر گازهای خروجی از دودکش کارخانه‌ها و اندازه‌گیری فواصل را امکان‌پذیر می‌سازد.

شدت

لیزرها بالاترین شدت‌های شناخته شده روی زمین را ایجاد می‌کنند. درخشایی نور لیزر حتی با قدرت چند میلی وات، میلیونها بار از درخشان‌ترین چشمه‌های معمولی، مثلاً خورشید بیشتر است. شدت‌های بالای لیزر برای برشکاری کاربرد دارد.

انواع لیزر

تاکنون صدها نوع لیزر شناخته شده‌اند که شامل لیزرهای حالت جامد(بلوری، شیشه‌ای)، لیزرهای گازی، لیزرهای رزینی، لیزرهای نیم رسانا، لیزرهای گاز- دینامیکی، لیزرهای الکترون آزاد و لیزرهای پرتوایکس هستند. از مهم‌ترین انواع لیزرهایی که در امر مرمت کاربرد دارند، لیزرهای ضربه‌ای (پالسی) هستند که می‌توانند ضربه‌هایی با مدت اثر کمتر از 100 نانو ثانیه تولید کنند. البته انتخاب لیزر بستگی به نوع کار دارد ولی مهم‌ترین آنها، لیزر اگزایمر با طول موج nm248 یا nm 193 ، لیزر YAG: Nd با طول موج 064/1 نانومتر یا لیزر(TEA)-CO2 با طول موج 6/10 نانومتر هستند.

موارد استفاده از لیزر در مرمت

همانگونه که قبلاً توضیح داده شد، لیزر نور تقویت شده به وسیله نشر القایی پرتوهاست. نور لیزر از امواج الکترومغناطیسی موازی با طول موج یکسان تشکیل شده که به معنای تکفام، یعنی یک دسته نور یکرنگ است. به این طریق می توان مجموع انرژی را بر روی یک سطح مقطع بسیار کوچک (در حد چند میلی متر) متمرکز کرد. نوع برهمکنش لیزر با مواد و مصالحی که بر روی آن کار می‌شود، به وسیله طول موج و شدت پرتو تعیین می‌شود و این دو عامل، شاخصی برای گذار یا انعکاس پرتوهای لیزر هستند. پرتو لیزر را می‌توان هم به صورت پیوسته و هم به صورت پالس‌هایی (ضربه‌هایی) با طول اثر معین تولید کرد که نوع اخیر برای امور مرمتی بسیار مهم است. از جمله موارد استفاده لیزر در مرمت، هولوگرافی(تصویر سازی سه بعدی) برای مستند سازی آثار، تمیز کردن سطوح مختلف و آشکار کردن لایه‌های پنهان نقاشی دیواری است.

هولوگرافی(تمام نگاری)

هولوگرافی یا تصویر برداری سه بعدی، در کنار دیگر روش‌های تصویربرداری نوری مانند عکسبرداری با پرتوهای زیر قرمز، فرابنفش و نور مریی برای مستند سازی و مطالعات آسیب‌شناسی اشیاء تاریخی به کار می‌رود. امروزه دو روش هولوگرافی برای آزمایش‌های غیر مخرب جهت ثبت جزییات اشیاء وجود دارد که عبارتند از روش هولوگرافی تصویری[2] و هولوگرافی تداخل‌سنجی[3] هولوگرافی تصویری، مانند یک عکس معمولی بر روی صفحه‌ای تخت قرار می‌گیرد، ولی وقتی تحت زاویه خاصی به آن نگاه کنیم، تصویر سه بعدی و عمق‌دار به نظر می‌رسد. هولوگرام روی فیلم‌های عکاسی خاص ثبت می‌شود. بخشی از یک پرتو لیزر که پرتو شیء نامیده می‌شود برای تصویربرداری از شیء به آن تابانده می‌شود، و از روی شیء به صفحه‌ تصویر باز می‌تابد. بخش دیگری از پرتوهای لیزر که پرتو مرجع نامیده می‌شود، از روی آینه نیم شفافی بازتاب پیدا می‌کند و مستقیماً بر صفحه ثبت تصویر تابیده می‌شود. صفحه، الگوی حاصل از دو پرتویی را که با یکدیگر تداخل می‌کنند ثبت می‌کند. زمانی که هولوگرام توسط یک پرتو لیزر مرجع روشن می‌شود، الگوی دقیق پرتو شیء بازآفرینی می‌شود. این روش برای مستند سازی اشیاء تاریخی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجا که اشیاء تاریخی تحت تأثیر تغییرات محیطی واقع می‌شوند، هر گونه ترک آشکار یا پنهان در آنها می‌تواند موجب ایجاد تنش‌های موضعی در شیء شده و تخریب‌های جزیی یا وسیع در آن را موجب گردد. مثلاً نقاشی‌های آبرنگ روی گچ، وقتی تحت تأثیر تغییرات دوره‌ای رطوبت یا نم قرار گیرند، لایه‌های زیرین یا رویی آنها دچار تغییرات میکروسکوپی شده که مقدمه‌ای برای تخریبهای اساسی در این نقاشیهاست. مطالعه این تغییرات نیاز به تجزیه و تحلیل و شناسایی تغییر مکانهای سطوح در محدوده‌های میکرونی دارد و برای به تصویر کشیدن شرایط یک شیء باید از روشی سریع با حساسیتی بالا استفاده کرد. روش تداخل سنجی هولوگرافی، روشی مناسب برای بررسی این‌گونه تغییرات است. علاوه بر اندازه‌گیری تغییر مکان‌ها و ترکها در نقاشیهای دیواری، این روش همچنین برای تعیین و شناسایی ترکها در انواع اشیاء موزه‌ای مانند نقاشیهای روی بوم یا پانلهای چوبی، اشیاء فلزی، سفالی و نقاشیهای روی گچ کاربرد دارد. در این روش از تکنیکهای مختلفی برای بررسی تنشها و شناسایی ترکهای کوچک روی کارهای بزرگ استفاده می‌شود. هدف از تداخل سنجی هولوگرافی، مقایسه ویژگیهای موجی نور ساطع شده توسط شیء مورد مطالعه در یک زمان با موج دیگری از همان شیء در زمانی دیگر (مثلاً چند ماه یا چند سال بعد) است. اگر در بین این دو مرحله زمانی، شیء دستخوش تغییراتی بر اثر نیروهای مکانیکی، تأثیرات مخرب رطوبت و یا دما قرار گرفته باشد، می‌توان با مقایسه دو هولوگرام ثبت شده به این تغییرات پی برد. از مزایای این روش، غیر مخرب بودن و حساسیت بالای آن است. از آن جا که طول موج پرتوهای نور لیزر که در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرند، عمدتاً در محدوده طول موج پرتوهای نور مریی است، هرگونه تغییر یا ترک در محدوده‌های میکرونی قابل مشاهده است.

تمیز کردن سطوح به وسیله لیزر

گذشته از تصویربرداری سه بعدی و روش‌های تجزیه عنصری به وسیله لیزر، به کمک این پرتوها می‌توان لایه‌های به ضخامت چند نانومتر را از اشیاء جدا کرد. این لایه‌ها شامل لایه‌های چربی و گردو غبار و کثافت روی اشیاء یا لایه‌های خوردگی روی فلزات یا لایه‌های رنگ قدیمی هستند. برای تمیز کردن سطوح با استفاده از لیزر، قبل از شروع کار باید سطح شیء به خوبی بررسی شود. ترکیبات شیمیایی، نوع تخریب، درجه هوازدگی، و فرسایش سنگ باید دقیقاً تعیین شود. بدین منظور باید آزمایشهای کاملی از شیء به عمل آید و دلایل تغییرات یا آسیبهای موجود در آن به خوبی شناسایی شود. به طور کلی هر مرمتگری که قصد استفاده از لیزر برای تمیز کردن سطوح و لایه‌برداری را دارد باید از ابتدا تصور صحیحی از نتایجی که در رابطه با اهداف مرمتی با استفاده از لیزر به دست خواهد آمد، داشته باشد. مرمتگر باید به خوبی با روش‌های سنتی و جدید مرمت آشــنا باشد. در جدا کردن لایه ها با پرتو لیزر، باید این پرتوها توسط لایه‌ها به نسبت خوبی جذب شوند. عمل جذب بستگی به ترکیب لایه‌ها یعنی به مواد و مصالح به کار رفته در شیء و نیز بستگی به طول موج و شدت پرتو لیزر دارد. پس از جذب پرتو در سطح شیء، انرژی جذب شده تبدیل به گرما شده و به سرعت لایه نازکی از سطح به ضخامت چند نانومتر تبخیر می‌شود. این بخار با سرعت بسیار زیاد در جهتی که پرتو فرود آمده، از سطح شیء دور می‌شود از آنجا که لیزرهای مورد استفاده در مرمت، لیزرهایی هستند که پالس‌هایی (ضربه‌هایی) با مدت زمان مؤثر تولید می‌کنند، می‌توان فر‏آیند پرتودهی و زمان رسیدن پرتو به سطح شیء و مدت زمان تأثیر آن را تنظیم کرد. از آنجا که در لایه رویی شیء، آن بخش از انرژی لیزر که برای جداکردن آن لایه لازم است جذب می‌شود، جریان انرژی منتقل شده و جذب شده، به دلیل آستانه تبخیر کاهش یافته و به لایه‌های زیرین صدمه‌ای وارد نخواهد آمد. گذشته از آن، چون مدت زمان تأثیر پرتوهای لیزر بسیار کمتر از ثابت زمانی هدایت گرمایی است، عمق گرمای هدایت شده در زیر لایه تبخیر شده فقط چند نانومتر (قابل مقایسه با یک ورقه بسیار نازک طلا) است. به این ترتیب، امکان ایجاد یک منطقه صدمه دیده بر اثر بالا رفتن دما، بسیار کم است. البته در مورد جدا کردن لایه‌ها با لیزر باید به نکات دیگری نیز توجه کرد. مثلاً بخارهای ایجاد شده در محیط کار باید به وسیله هودهای قوی از محیط کار دور شوند. مسائل ایمنی در استفاده از لیزر از اهمیت زیادی برخوردارند. مرمتگران باید اطلاعات کافی در این باره داشته باشند. از دیگر مسائل مهم، انجام دادن پژوهش‌های بنیادین و نیز آزمایشهای اولیه و آسیب‌شناسی دقیق شیء مرمتی است. در آزمایشاتی که تاکنون انجام شده، اگرچه نتایج خوبی در رابطه با تمیز کردن سنگ، برداشتن لایه‌های کثیف از روی نقاشی‌ها و برداشتن لایه خوردگی از روی اشیاء فلزی حاصل شده، اما صدماتی نیز به برخی اشیاء وارد آمده که لازم است به آنها توجه شود. مثلاً آزمایش نشان داده است که شدتهای بالا موجب خرد شدن بلورهای کوارتز می‌شود که در بررسی‌های میکروسکوپی نیز این مسئله تأیید شده است. یا در برخی از سنگها (مانند اسمالت)، بر اثر استفاده از لیزر، تغییر رنگ کاملا مشهود است(حتی در شدتهای پایین)، که این روند غیرقابل بازگشت است. بلورهای اسمالت پس از پرتودهی با لیزر، ساختار بلوری خود را از دست داده و ساختاری آمورف (آریخت) پیدا می‌کنند. بررسی‌های انجام شده به روش پراش پرتو ایکس نیز نشان داده است که امکان تغییر ساختار بلوری رنگدانه‌ها بر اثر پرتو لیزر وجود دارد. به خصوص در تمیز کردن یا آزادسازی لایه‌های پنهان نقاشی باید به تغییر رنگ رنگدانه‌ها و تأثیر پرتو لیزر بر روی بست و دیگر مصالح توجه شود. مثلاً در آزمایشی که بر روی نمونه‌های نقاشی دیواری انجام شد، تغییر رنگ قرمز هماتیت به خاکستری در شدتهای بسیار پایین مشاهده شده است. در مورد سفید گچی، هیچگونه تغییری مشاهده نشده است. در نقاشیهای رنگ و روغن، به دلیل وجود بست روغنی که انرژی پرتوها را با درصد بسیار بالایی جذب می‌کند، پرتوهای لیزر صدمات جدی بر روی لایه‌های رنگ اصلی ایجاد کرده‌اند. در برخی نقاشیهای آبرنگ، پرتوهای لیزر باعث تیره شدن رنگدانه‌های معدنی قرمز و زرد (شنگرف و سرنج) و کمرنگ شدن رنگدانه‌های نیل شده‌اند. در انتها تأکید می‌شود که استفاده موفقیت‌آمیز از لیزر، به نوع مسئله مرمتی که پیش روست و به مواد و مصالحی که با آن کار می‌شود بستگی دارد. از آنجا که این فن‌آوری هنوز در حال پیشرفت و تکامل است، لازم است پژوهشهای بنیادینی درباره فر‏آیند تأثیر پرتوها و مواد و مصالح به کار رفته در اشیاء تاریخی و نیز درباره عواملی که عمق نفوذ و فاصله شیء تا لیزر را تعیین می‌کند انجام شود.

منابع

1- سوولتو، اوراسیو، 1371،«اصول لیزر»، ترجمه اکبر حریری، مرکز نشر دانشگاهی، تهران.

2- اندروز، دیوید، 1376، «لیزرها در شیمی»، ترجمه رامین رامبد، مرکز نشر دانشگاهی تهران.

3- Boon, P. and V. Markov, (1995) “Examination of  Museum Objects Means of Video Hologrophy” , Studies in Coservation 40  103- 109.

4-“Ist die Lader die Methode dir Zukunft?” ,Restauro 2/96, 96-99.

5- Paoletti, D. (1995) ,“The Potentialof Portable TV Holography Examining Fresco INSITU”, Studies in conservation ,40 , 127-132.

6- Shekede, L. (1997) ,“Laser fuer die Reinigung und Freilegung von Wandmalereien” , Resrauro 3/97 , 1720177.

7- Tyrer, J, R, (1986) “Critical reviw of recent development in electronic speckle pattern interferometry” in: Holographic Non Destrutive Testing, PSPIE 60, 95-111.

8- Weidemann, G,. (1997) “Laserabtragen dunner Deckschichten”, Institutsprojekt des Fraunhofer – Institute fuer Werkstoffphysik und Schichttechnologie.

منبع: مجموعه مقالات چهارمین ‌همایش‌ حفاظت‌ و مرمت‌ ‌آثار تاریخی‌ - فر‌هنگی‌ و تزئینات‌ و‌ابسته‌ به‌ معمار‌ی(۱۰-۷ ‌اسفند ۱۳۷۸)

توجه: استفاده با ذکر منبع بلامانع است.