Abtrag dünner Krusten und Korrosionsschichten von mineralischen Werkstoffoberflächen mittels Laserbestrahlung

Ausgangssituation

Zum Abtrag dünner Krusten und Korrosionsschichten von verschiedenen mineralischen Oberflächen in der Denkmalpflege (z. B. Naturstein oder Glas) werden vornehmlich gepulste Nd-YAG Laser eingesetzt – typische Daten eines solchen Lasersystems sind:

- Wellenlänge λ = 1064 nm - Energiedichte ϖ = 0,2 bis 1,0 J/cm²

- Pulsdauer t H = 6 bis 10 ns

Abb. 1: Prinzip der Laserstrahlreinigung

Die abzutragende Schmutzschicht absorbiert das Laserlicht und wird zersetzt, verdampft oder durch thermische Spannungen abgesprengt. Vollständig reflektierende Oberflächen (Fall a) bzw. Materialien, die das Laserlicht transmittieren lassen (Fall b), führen zu einem „selbstregulierenden Prozess“ (Abb. 1). Absorbiert auch der Untergrund das Laserlicht (Fall c), kann dies zu Veränderungen am zu reinigenden Werkstoff selbst führen. Dieser Effekt ist selbstverständlich in der Praxis unerwünscht und tritt auf, wenn die Modifikationsschwelle (Energiedichte, bei der eine Veränderung erfolgt) des zu reinigenden Materials geringer als die applizierte Laserenergiedichte ist. Im folgenden werden Zustände von Pigment- und Marmoroberflächen nach einer Laserbehandlung dokumentiert. Diese Materialen sollen jeweils beispielhaft für einen durch den Restaurator zu reinigenden gefassten und ungefassten Untergrund stehen. Gleichzeitig soll hier angemerkt werden, dass in den vergangenen Jahren vermehrt versucht wurde, neben ungefassten Natursteinoberflächen auch farblich gefasste Objekte mittels Laserablation von Schmutzkrusten und anderen Auflagerungen zu befreien. Dabei wurde festgestellt, dass Schäden an den Farbfassungen (Verfärbungen, vollständiger Abtrag) auftreten können. Zu ähnlichen Erfahrungen kam man bei der Reinigung von ungefassten Marmoroberflächen.

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Experimentelle Methoden, Analyseverfahren

Im Rahmen eines Forschungsprojektes

wurden unterschiedlichen Energiedichten laserbe-handelt. Beim verwendeten Lasergerät handelt es sich um einen in der Praxis eingesetzten Nd-YAG Laser (Abb. 2) mit einer festen Wellenlänge von 1064 nm und einer Pulsdauer von 6 ns. Es wurden Energiedichten verwendet, die deutlich oberhalb der Modifikationsschwelle des jeweiligen Materials liegen (etwa 500 bis 750 mJ/cm²), jedoch problemlos vom eingesetzten Lasergerät erreicht werden können.

Die Veränderungen der laserbehandelten Oberflächen wurden analytisch mittels ESEM, EDX und XRD erfasst. Aufgrund der geringen Dicke der veränderten Materialschichten konnte der Zustand dieser Schichten selbst mittels XRD im streifenden Einfall (GID, grazing incidence diffraction) nur in wenigen Fällen charakterisiert werden. Der Schwerpunkt bei den folgenden Ergebnissen liegt daher bei der optischen Charakterisierung mittels ESEM.

Ergebnisse

Trifft Laserlicht auf eine Materialoberfläche und absorbiert dieses Material das Laserlicht, führt die absorbierte Energie bei Überschreitung der Schwellenergiedichte zu Dissoziations-, Anregungs- oder Schwingungsprozessen (Wärmeentwicklung). Photochemische Prozesse können mittels Laserlicht nur ausgelöst werden, wenn die Photonenenergie oberhalb der Bindungsenergie liegt. Dies ist in der Regel nur mit UV-Lasern möglich. Die vom eingesetzten Nd-YAG-Laser (IR-Laser) emittierte Photonenenergie reicht hierfür nicht aus. Die Photonenenergie des infraroten Laserlichts kann jedoch in begrenztem Umfang thermisch induzierte Prozesse einleiten.

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