LE APPLICAZIONI DEL LASER NELLA CONSERVAZIONE DEI BENI CULTURALI Ph.D. Alessandro Zanini – Comitato Scientifico

LE APPLICAZIONI DEL LASER NELLA LE APPLICAZIONI DEL LASER NELLA CONSERVAZIONE DEI BENI CULTURALICONSERVAZIONE DEI BENI CULTURALI

Ph.D. Alessandro Zanini – Comitato ScientificoPh.D. Alessandro Zanini – Comitato Scientifico

LASERLASER• Laser non è una parola, ma un Laser non è una parola, ma un

acronimo che definisce:acronimo che definisce:

LLight ight AAmplificationmplification byby SStimulatedtimulated EEmission ofmission of

RRadiationadiation

Principi generaliPrincipi generali


MARX KARL PLANCKMARX KARL PLANCK

• nel dicembre del 1900 formulò l’ipotesi dei quanti

• suppose che esistesse un “quanto di azione” cioè una denominazione molto piccola ma non nulla oltre la quale non si può dividere l’energia


1905 1905 • Un giovane sconosciuto impiegato

dell’Ufficio Brevetti di Berna affermo’ che la luce fosse costituita di quanti chiamati fotoni

• La dimostrazione sperimentale di questa teoria gli frutto’ nel 1921 il Premio Nobel

COS’E’ LA LUCECOS’E’ LA LUCE

•La luce è un tipo di radiazione elettromagnetica

(L’energia è la capacità di fare un lavoro)


ONDE ELETTROMAGNETICHEONDE ELETTROMAGNETICHE



LUNGHEZZA D’ONDA

Lunghezze d’onda del blu e del rosso

Per comprendere i principi del laser consideriamo dapprima una sorgente di luce molto più usuale, come una classica lampadina ad incandescenza. La luce è una forma di energia che si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche caratterizzate da una lunghezza caratteristica, la lunghezza d’onda, che rappresenta la distanza tra due picchi consecutivi. La lunghezza d'onda determina il colore della luce,

LUNGHEZZE D’ONDA NEL LUNGHEZZE D’ONDA NEL VISIBILEVISIBILE



LA LUCE DI UNA LAMPADINA

•Una lampadina genera luce incoerente in quanto caratterizzata da radiazioni di diverse lunghezze d'onda•la luce ci appare bianca•La luce si propaga in tutte le direzioni•La luce si propaga in modo indipendente, essendo emessa ad istanti diversi.

LUCELUCE

Luce solareLuce solare

Luce emessa da una sorgente laserLuce emessa da una sorgente laserPrincipi generaliPrincipi generali

LASERLASER

• E’ un amplificatore ottico E’ un amplificatore ottico • Ora la parola laser definisce Ora la parola laser definisce

uno strumento per: uno strumento per: comunicazioni, misure comunicazioni, misure (spettroscopia), medicina, (spettroscopia), medicina, processi industrialiprocessi industriali



I LIVELLI ENERGETICI

Livelli energetici di un atomo

•In condizioni normali gli elettroni occupano i più bassi livelli energetici disponibili: si dice che l’atomo si trova nel suo stato fondamentale. •Se l’atomo riceve energia, l’elettrone più esterno può passare ad un livello energetico più alto: l’atomo si trova ora in uno stato eccitato. •Dopo un certo istante di tempo l’atomo tende a ritornare allo stato fondamentale, più stabile.• In alcuni materiali ciò avviene con l’emissione di un’onda elettromagnetica di energia pari esattamente al salto energetico.


EMISSIONE SPONTANEA• Poiché tra l’energia e la lunghezza d’onda c’è una relazione biunivoca, la luce ottenuta in questo modo viene detta monocromatica (“un solo colore”), in quanto caratterizzata da una sola lunghezza d’onda.• Siccome non tutti i materiali permettono l’emissione di luce, i laser si possono realizzare utilizzando solo materiali ben definiti.• Il processo si definisce emissione spontanea, sfruttato ad esempio nelle lampade a luminescenza, genera però ancora luce incoerente• Il numero di atomi che si diseccitano è infatti grandissimo, e ognuno di

essi fa tutto ciò in modo indipendente da tutti gli altri, con il risultato che la luce generata è una sovrapposizione di onde emesse casualmente ad istanti diversi ed in tutte le direzioni.

Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti


EMISSIONE STIMOLATA• Il processo che conferisce alla luce laser proprietà uniche è l’emissione stimolata.• Se un’onda interagisce con un atomo che si trova in uno stato eccitato, può

forzare (“stimolare”) l’elettrone a tornare allo stato fondamentale, con l’emissione di un’onda.• Come risultato dell’emissione stimolata, partendo da una singola onda ne otteniamo due identiche,

– sono monocromatiche– sono emesse nello stesso istante– si propagano nella stessa direzione– Sono in fase (il picco dell’una si manifesta nello stesso identico istante dell’altra).

• La luce generata in questo modo si dice coerente.• La figura mostra come la sovrapposizione di onde coerenti realizzi l’amplificazione della luce.

Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti


EMISSIONE STIMOLATA

• Un materiale in condizioni “normali” non si troverà mai in uno stato eccitato.

• Per sfruttare il principio dell’emissione stimolata bisogna pertanto eccitare “artificialmente” il materiale: questo processo viene detto pompaggio.

• La presenza di atomi eccitati non è in realtà sufficiente a generare luce laser.

• Infatti nel materiale sono presenti due fenomeni in competizione: l’emissione stimolata, di cui si è appena parlato, e l’assorbimento, in cui un’onda “colpisce” un atomo nello stato fondamentale e ne viene assorbita.

• Per avere luce laser (amplificazione) l’emissione stimolata deve essere più intensa dell’assorbimento, e quindi il numero di atomi eccitati deve essere maggiore del numero di atomi nello stato fondamentale. Questa condizione viene detta inversione di popolazione.

Assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata


CAVITA’ RISONANTE• Il processo dell’emissione stimolata, tuttavia, può causare un’amplificazione significativa del numero di onde che si propagano in una direzione privilegiata qualora si inserisca il materiale tra due specchi riflettenti (cavità risonante)• a causa delle riflessioni, il numero di onde che viaggiano lungo l’asse dei due specchi, passando e ripassando attraverso il materiale, aumenta sensibilmente.• Il risultato è che, grazie a questa oscillazione, può avvenire Amplificazione di Luce

mediante Emissione Stimolata di Radiazione (“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”).

• Se uno dei due specchi risulta parzialmente trasparente, parte della radiazione può uscire dalla cavità: si ottiene così il fascio laser.

Schema funzionale di un laser


EMISSIONE STIMOLATAEMISSIONE STIMOLATA

• per avere oscillazione laser è necessario raggiungere una condizione di soglia• Il guadagno, dovuto all’amplificazione, deve infatti compensare tutte le perdite in cavità (trasmissione dagli specchi ed altre cause).• Questa condizione è molto importante perché impone una ben precisa

relazione tra le perdite, tra cui spicca la potenza in uscita, ed il guadagno, che dipende dal pompaggio.

• Questo implica che la potenza generata da un laser non è a priori libera, ma soggetta a vincoli che, per alcuni tipi di laser, la limitano a valori molto bassi.

STORIA DEL LASERSTORIA DEL LASER

• IL PRIMO LASER FU IL PRIMO LASER FU COSTRUITO DA COSTRUITO DA

Maiman nel 1960Maiman nel 1960• Il primo laser era un laser al Il primo laser era un laser al

rubinio con una luce rossa rubinio con una luce rossa alla lunghezza d’onda di alla lunghezza d’onda di 0,6943μm0,6943μm


Quadro economicoQuadro economico

• Il primo laser utilizzato nel campo dei Beni Culturali

in Italia è stato impiegato nel 1989• La prima generazione di laser Nd:YAG

QS ha operato principalmente in Francia1993-1995 sui portali delle cattedrali di Parigi, Amiens, Chartre

• Dal 1998 si sta sviluppando una seconda generazione di sistemi laser più mirati alle esigenze del settore (gestione in cantiere, applicazioni specifiche)

QUADRO STORICO DEGLI QUADRO STORICO DEGLI INTERVENTIINTERVENTI


•Nel corso di questi decenni la tecnologia laser ha compiuto una rapida evoluzione sviluppando sistemi sempre più perfezionati e rispettosi dell’opera d’arte•Il laser rappresenta una soluzione d’avanguardia che ha notevoli vantaggi

•E’ una tecnica a minima invasività poiché non richiede contatto con sostanze chimiche, né materiali abrasivi

•Elevato grado di controllo poiché la rimozione avviene in modo molto progressivo (pochi micron per impulso)

•Elevata precisione poiché le fibre ottiche usate per trasmettere la luce laser consentono di operare su superfici molto complesse

•Selettività poiché il differente assorbimento ottico rende più efficace l’ablazione di una crosta nera scura rispetto ad un substrato più chiaro

PARAMETRI DELLA PULITURAPARAMETRI DELLA PULITURA

• Lunghezza d’onda• Durata dell’impulso• Dose di irradiazioneSi tratta comunque di parametri

che vanno correlati alle caratteristiche del materiale da pulire

Applicazioni Laser - Interventi

PARAMETRI DELLA PULITURAPARAMETRI DELLA PULITURALa profondità di La profondità di

penetrazione dipende dalla penetrazione dipende dalla lunghezza d’ondalunghezza d’onda

• Laser ad ultravioletti rimuovono sottili strati (pochi micron) dalle superficie pittoriche e dalle vetrate

(Laser ad Eccimeri)

• Laser che vicino infrarosso rimuovono incrostazioni più spesse (fino a qualche millimetro) su superfici lapidee

(Laser a Nd:YAG)


PARAMETRI DELLA PULITURAPARAMETRI DELLA PULITURALe proprietà ottiche giocano Le proprietà ottiche giocano

un ruolo fondamentaleun ruolo fondamentale

• La “crosta nera” assorbe una quantità elevata di radiazione

• Il marmo Il marmo bianco bianco riflette la riflette la radiazioniradiazioni


PARAMETRI DELLA PULITURA PARAMETRI DELLA PULITURA

• Morfologia della superficie • Proprietà chimiche degli strati

di alterazione• Proprietà chimiche del

substrato


PARAMETRI DELLA PULIUTURA PARAMETRI DELLA PULIUTURA Durata dell’impulsoDurata dell’impulso

Laser impulsati sono più adatti di laser in continuoLaser impulsati sono più adatti di laser in continuo

LASER A IMPULSO CORTO• Nanosecondi• Effetto fotomeccanico• Il flusso di fotoni

produce ionizzazione• Il plasma può originare

onde d’urto sulla superficie

• Fratturazioni locali, incremento della porosità, microframmentazione

LASER A IMPULSO LUNGO

• Microsecondi• Minore densità di

plasma• Vaporizzazione

termica• Modificazioni

termiche superficiali


CONFRONTO FRA TIPI DICONFRONTO FRA TIPI DI MPULSOMPULSO(da A. Brunetto 2000)


Laser QS(impulso breve)

•Effetto fotomeccanico•Maggior produttività•Indicati per supporti organici•Difficoltà di graduare l’intervento•Impiego del braccio articolato•Fascio non omogeneo

Laser SFR(impulso medio)

•Effetto ablativo•Minore produttività•Indicati per supporti lapidei•Intervento ben controllato e graduabile•Impiego di fibre ottiche •Fascio omogeneo


IL LASER E GLI ALTRI SISTEMI IL LASER E GLI ALTRI SISTEMI D’INTERVENTOD’INTERVENTO

•Sistema meno veloce degli altri metodi di pulitura

•Sistema fra i migliori e meno invasivi senza effetti collaterali nel tempo

•Costi elevati iniziali, ma ridotti di manutenzione

•Sistema di pratica gestione in cantiere (assenza di prodotti da smaltire)

•Va differenziato l’impiego in senso qualitativo

•Vanno definiti protocolli d’impiego (UNInormal)


MISURE DI SICUREZZA GENERALI MISURE DI SICUREZZA GENERALI PER LASER DI PER LASER DI CLASSE 4CLASSE 4

• Comando a chiave• Segnaletica di avvertimento• Protezione degli occhi• Se il fascio è focalizzato

– evitare riflessioni speculari

• Se il fascio è collimato– Arresto del fascio o attenuatore– Tragitto del fascio (assorbitori)

• Maschera di protezione fumi o sistema di aspirazione


PROTEZIONE OCULAREPROTEZIONE OCULARE• Usare occhiali che abbiano le informazioni

adeguate per un loro uso corretto• Lunghezza d’onda appropriata• Distanza di rischio oculare• Densità ottica richiesta• Scelta degli occhiali

Portabilità Campo visivoAderenzaVentilazioneSuperfici non riflettenti


MISURE DI SICUREZZA ESTERNEMISURE DI SICUREZZA ESTERNE• Va determinata la zona nominale di rischio

(ZNR)• Va vietato l’accesso nella zona dove si supera

l’esposizione massima permessa (EMP)• Il personale ammesso entro la ZNR deve

essere autorizzato e adeguatamente protetto• All’interno della ZNR deve essere vietato il

transito ai veicoli• Il percorso del fascio non deve essere tenuto al

livello degli occhi• Il percorso del fascio deve terminare su un

mezzo opaco/assorbente• Quando non è in uso il laser deve essere

disabilitato


SUGGERIMENTI PRATICISUGGERIMENTI PRATICI• Far indossare sempre gli occhiali a chi si

avvicina al laser• Non guardare mai il laser in funzione nell’apertura o alla fine del manipolo• Evitare riflessi e superfici riflettenti in prossimità del fascio• Tenere presente che superfici opache nel

visibile sono riflettenti nell’infrarosso (Nd:YAG)

• Usare quindi strumenti sabbiati

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