Исследование теплофизических процессов при очистке изделий из кожи излучением импульсно-периодического волоконного лазера

Неелова А.Д., Лепехина Т.К., Диас С., Журба Д.В., Парфенов В.А.

Ссылка для цитирования:

Неелова А.Д., Лепехина Т.К., Султанулы Д., Журба Д.В., Парфенов В.А. Исследование теплофизических процессов при очистке изделий из кожи излучением импульсно-периодического волоконного лазера // Оптический журнал. 2026. Т. 93 № 4. С. 101–110. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-101-110

Neelova A.D., Lepekhina T.K., Sultanuly D., Zhurba D.V., Parfenov V.A. A study of thermo-physical processes of cleaning of leather objects with the irradiation of repetitivelypulsed fibre laser [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 101–110. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-101-110

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Теплофизические процессы при лазерной очистке кожи объектов культурно-исторического наследия волоконным иттербиевым импульсным лазером с длиной волны 1,064 мкм. Цель работы. Моделирование теплофизических процессов при воздействии лазерного излучения на кожу и экспериментальное определение температуры кожи в зоне лазерной обработки. Метод. Моделирование теплофизических процессов при лазерной очистке кожи выполнено в программе COMSOL Multiphysics. Лазерная очистка осуществлена импульсно-периодическим волоконным иттербиевым лазером с длиной волны 1,064 мкм. Температура в зоне очистки измерялась тепловизором. Основные результаты. При лазерной очистке изделий из кожи от загрязнений при следующих выходных параметрах лазера: средней плотности мощности 3×105 Вт/см2, частоте повторения импульсов 20 кГц и длительности импульса 100 нс, а также скорости сканирования лазерного пучка 800 мм/с и величине заполнения области обработки 40 линий/мм температура поверхности кожи изменяется в среднем не более, чем на 20 K. При этом использование влажной лазерной очистки позволяет снизить тепловую нагрузку в среднем на 20 K. Практическая значимость. Полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки технологии лазерной очистки исторических памятников, изготовленных из кожи.

Ключевые слова:

лазерная очистка, реставрация, кожа, культурно-историческое наследие, термоабляция, волоконный иттербиевый лазер

Коды OCIS: 350.3390; 140.3070

Список источников:

1. Fotakis C., Anglos D., Zafiropulos V. et al. Lasers in the preservation of cultural heritage. Principles and applications. USA: CRC Press, Taylor &Francis Group, 2007. 364 p.
2. Bertasa M., Korenberg C. Successes and challenges in laser cleaning of metal artefacts: A review // Journal of Cultural Heritage. 2022. V. 53. P. 100–117. https://doi. org/ 10.1016/j.culher.2021.10.010
3. Parfenov V.A., Igoshin S.D., Kuliashou D. Use of laser additive technologies for restoration and reconstruction of artworks // Lasers in the Conservation of Artworks XIII. 2024. P. 69–76. https://doi.org/ 10.1201/9781003386872
4. Melita L.N., Węgłowska K., Tamburini D., Korenberg C. Investigating the potential of the Er:YAG laser for the removal of cemented dust from limestone and painted plaster // Coatings. 2020. № 1. P. 1099. https://doi.org/10.3390/coatings10111099
5. Mencaglia A.A., Osticioli I., Ciofini D., Gallo L., Siano S. Raman spectrometer for the automated scan of large painted surfaces // Rev Sci Instrum. 2019. V. 90(5). P. 053101. https://doi.org/10.1063/1.5088039
6. Федотов О.Г., Фомин В.М. Перспективы использования фтороводородных лазеров при реставрации произведений живописи // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 4. С. 3–11.
Fedotov O.G., Fomin V.M. Prospects for hydrogen fluoride laser applications in artwork restoration // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. № 4. P. 218–225. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000218
7. Cooper M. Laser cleaning in conservation: An introduction. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1998. 98 p.
8. Petiti Ch., Toniolo L., Gulotta D., Mariani B., Goidanich S. Effects of cleaning procedures on the longterm corrosion behavior of bronze artifacts of the cultural heritage in outdoor environment // Environmental Science and Pollution Research. 2020. V. 27 (12). P. 13081–13094. https://doi.org/10.1007/s11356-020-07814-4
9. Basso E., Pozzi F., Reiley M.C. The Samuel F. B. Morse statue in Central Park: scientific study and laser cleaning of a 19th-century American outdoor bronze monument // Heritage Science. 2020. V. 8(1). P. 1–14. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-27617/v3
10. Strlic M., Selih V., Kolar J., Kocar D. Optimisation and on-line acoustic monitoring of laser cleaning of soiled paper // Appl. Phys. 2005. V. 81. P. 943–951. https://doi.org/ 10.1007/s00339-005-3268-3
11. Bilmes G.M., Freisztav C.M., Cap N. Laser cleaning of 19th century papers and manuscripts assisted by digital image processing // Lasers in the Conservation of Artworks. Eds. Castillejo M., Moreno P., Oujja M., Radvan R., Ruiz J. London, UK: Taylor & Francis Group, 2008. 508 p.
12. Balakhnina I.A., Brandt N.N., Chikishev A.Y., Shpachenko I.G. Single-pulse two-threshold laser ablation of historical paper // Laser Phys. Lett. 2018. V. 15. P. 065605. https://doi.org/ 10.1088/1612-202X/aab94e
13. Parfenov V., Galushkin A., Tkachenko T., Aseev V. Laser cleaning as novel approach to preservation of historical books and documents on a paper basis // Quantum Beam Science. 2022. V. 6. P. 23–36. https://doi.org/10.3390/qubs6030023
14. Добрусина С.А., Парфенов В.А., Подгорная Н.И., Самсыгина Н.Д., Титов С.В., Петров А.А., Асеев В.А. Лазерное удаление фоксингов со страниц и документов на бумажной основе // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 10. С. 93–107. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-10-93-107
Dobrusina S.A., Parfenov V.A., Podgornaya N.I., Samsygina N.D., Titov S.V., Petrov A.A., Aseev V.A. Laser removal of foxing from the pages of books and paper documents // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90(10). P. 617–625. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000617
15. Abdel-Maksouda G., Emamb H., Ragab N.M. From traditional to laser cleaning techniques of parchment manuscripts: A review // Advanced research in conservation science. 2020. № 1. P. 52–76. https://doi.org/10.21608/arcs.2020.111216
16. Součková M., Sokolová M., Neoralová J., Vávrová P., Mašková L., Jandová V., Smolík J. Evaluation methods of effect of cleaning techniques on library collagen materials // Optics for Arts, Architecture, and Archaeology VII. SPIE. 2019. V. 11058. P. 244–251. http://doi.org/10.1117/12.2527243
17. Elnaggar A., Fitzsimons, P., Lama A., Fletcher Y., Antunes P., Watkins K.G. Feasibility of ultrafast picosecond laser cleaning of soiling on historical leather buckles // Heritage Science. 2016. V. 4. № 30. P. 1–9. http://doi.org/10.1186/s40494-016-0104-3
18. Лоцманов Е.М., Быстрова Е.С. Атлас повреждений бумаги, блока, переплета библиотечных и архивных материалов / Под редакцией Добрусиной С.А. СПб: РНБ, 2011. 106 с.
Lotsmanov E.M., Bystrova E.S. Atlas of damages of paper, block, binding of the library and archival materials [In Russian] / Ed. Dobrysina S.A. St. Petersburg: National Library of Russia, 2011. 106 p.
19. Мокрушин Ю.М., Парфенов В.А. Использование лазера на парах меди для реставрации произведений искусства // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 7. С. 88–90.
Mokrushin Yu.M., Parfenov V.A. Using the copper-vapor laser to restore works of art // Journal of Optical Technology. 2008. V. 75 (7). P. 476–477. https://doi.org/10.1364/JOT.75.000476
20. Любич М.Г. Обувное материаловедение. Москва: Легкая индустрия, 1970. 408 с.
Lyubich M.G. Shoe materials science [In Russian] / Moscow: Legkaya industriya, 1970. 408 p.
21. Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М., Шахно Е.А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.
Veiko V.P., Smornov V.N., Chirkov A.M., Shakhno E.A. Laser cleaning in mechanical engineering and instrumentation [In Russian] . St. Petersburg: ITMO University, 2013. 103 p.
22. Kite M., Thomson R. Conservation of leather and related materials. Oxford: Routledge, 2006. V. 10. 335 p.