齊 揚 ，周偉強，陳 靜，葉亞云，周 萍，侯靜敏，吳 鵬

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.陜西省文物保護研究院，陜西 西安 710075；3.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900）

云岡石窟位于中國山西省大同市城西約16km的武州（周）山南麓、武州川的北岸，地理位置為東經(jīng)113°20′、北緯40°04′。它于北魏時期開鑿，期間大致歷經(jīng)了近70年之久，其造像具有典型的皇家風范，涉及歷史、建筑、音樂等多方面內(nèi)容，是東方石雕藝術(shù)的精魂和中西文化融合的典范，代表著公元5～6世紀佛教藝術(shù)的最高成就。1961年3月云岡石窟被國務(wù)院公布為首批全國重點文物保護單位，2001年12月被聯(lián)合國教科文組織批準列入“世界文化遺產(chǎn)”名錄。由于云岡石窟文物長期暴露在空氣中，空氣中含有的二氧化硫、二氧化氮和粉塵等污染物在氣候變化、光線輻射、生物危害等環(huán)境因素的共同作用下，會導致文物的殘損風化［1-4］。同時，受人類活動的影響，各種污漬也被涂抹于文物表面。這些表層覆蓋物不僅造成了視覺上的污染，而且其中的有害成分嚴重威脅著文物本體的保存，造成文物損毀，同時還會進一步影響保護措施的實施與實施效果，因此必須采取安全有效的技術(shù)手段對這些有害污物進行清除。

激光清洗技術(shù)是利用激光輻射在物體表面，使表面污物發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離而達到對污物清除的目的［5］。激光清洗方式主要分為干式清洗和濕式清洗兩種。激光干式清洗法，就是激光直接照射在物體表面，污染微?；虮砻嫖漳芰亢螅ㄟ^熱擴散、光分解、氣化等方式使微粒離開表面。激光濕式清洗法，就是在要清洗的材料表面噴上一些無污染的液體（主要是水，有時也采用酒精），然后用激光照射，在液體介質(zhì)的輔助作用下，會產(chǎn)生爆炸性汽化，把其周圍的污染微粒推離材料表面［6］。

激光清洗技術(shù)具有選擇性強、定位準確、安全度高、適用面廣、綠色環(huán)保等特點。激光清洗技術(shù)是一種新型的清除技術(shù)，與文物保護中常用的機械、化學等清洗方法相比，具有諸多優(yōu)勢，因而在文物保護領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，在國外激光清洗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石質(zhì)、金屬、陶瓷、壁畫、紙質(zhì)、木質(zhì)、象牙、化石、紡織品的保護［7-10］。在石質(zhì)文物保護方面，采用激光技術(shù)可清除石質(zhì)文物表面的黑色表層、薄的混凝土層、粉塵、煙灰、修復處理使用過的陳舊的丙烯酸、環(huán)氧層和酪蛋白層等各類污染類型。如斯蒂芬大教堂，石浮雕，帕臺農(nóng)神廟的西飾帶浮雕，一些文藝復興時期獨一無二的杰作如多納泰羅的圣馬可，預言者哈巴谷，講道壇，南尼的圣菲利普、四圣徒和圣母、升天，雅各布·黛拉的歡樂噴泉，安德利亞·皮薩諾的鐘樓鑲嵌浮雕等諸多保護工程［11-19］。而在國內(nèi)文物保護領(lǐng)域的激光清洗技術(shù)的研究處于起步階段，近幾年只有少量的研究工作［20-21］。

本文利用激光清洗技術(shù)對云岡石窟砂巖表面污染物進行清除。首先根據(jù)云岡砂巖的物理性質(zhì)參數(shù)，進行理論計算，并進行砂巖損傷試驗，得到云岡石窟砂巖在激光輻射下的損傷閾值；然后選取云岡石窟表面4種典型污染物類型制作樣品進行室內(nèi)激光清洗試驗，并通過理論計算，得到4種典型污染物的清洗閥值；最后在云岡石窟現(xiàn)場進行了表面污染物清除的現(xiàn)場激光清洗試驗。

1 云岡石窟巖石和表面污染物

云岡石窟窟區(qū)地層結(jié)構(gòu)屬中生界中侏羅統(tǒng)上部和第四系中上部地層，包括第四系中、上更新統(tǒng)（殘積-沖洪積）、全新統(tǒng)（沖積-坡積）以及中侏羅統(tǒng)上部云岡組。云岡石窟雕刻于中侏羅統(tǒng)上部云岡組，其巖體主要為石英長石砂巖，根據(jù)對砂巖的主要性能測試，得到其物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 云岡砂巖的基本物理性質(zhì)參數(shù)Table 1 Physical parameters of sandstones from Yungang grottoes

根據(jù)相關(guān)調(diào)查［22］，云岡石窟表面主要外源污染物的類型為粉塵、油煙 油脂、水泥、油漆、雨跡水漬、生物病害、動物病害等，其中以粉塵、煙熏黑垢為主，占整個外源污染物的91%以上，其他所占比例較小的有油漆、涂鴉刻痕（墨跡）、油污等，其典型污染物類型見圖1。

圖1 云岡石窟表面的典型污染物類型Fig.1 Typical contaminants on the surface of Yungang grottoes

2 室內(nèi)激光清洗試驗

2.1 巖石損傷試驗

在激光輻射石質(zhì)文物時，當激光能量和強度超過石材基底的損傷閾值時，會使石材產(chǎn)生損傷。這里將石材損傷閾值定義為在激光輻射過程中導致石材發(fā)生損傷時所對應(yīng)的激光能量或強度。為了避免石質(zhì)文物在激光清洗過程中發(fā)生損傷，必須首先測定石材在激光作用下的損傷閾值。

2.1.1 樣品

將采自云岡石窟表面無污染的砂巖樣品制作成尺寸為48mm×25 mm×7 mm 左右的小樣品，表面拋光、潔凈處理。

2.1.2 激光輻射參數(shù)

波長1 064nm，脈寬10ns，光斑面積約7mm2。

2.1.3 試驗方法

為了確保激光對同一區(qū)域輻射多次時，巖石基底不會損傷，試驗測試10次脈沖下石材樣品的損傷閾值。利用顯微觀測法和精密稱量法評估判斷樣品的損傷狀況，當樣品在激光輻射后表面形貌開始發(fā)生變化和質(zhì)量損失量發(fā)生跳變時，認為樣品發(fā)生損傷，此時所對應(yīng)的激光能量為該激光下樣品的損傷閾值。試驗中質(zhì)量損失采用高精度電子天平METTLER TOLEDO XP56（精度1μg）進行稱量。顯微觀察采用Nikon ECLIPSE E600光學顯微鏡。

2.2 表面污染物清洗試驗

激光清洗閾值主要用來表征激光清洗的有效性，這里將激光輻射污染物樣品剛出現(xiàn)清洗效果時使用的激光能量定義為清洗閾值。

2.2.1 樣品

將采自云岡石窟地區(qū)的砂巖制成2cm×5cm×10cm 的統(tǒng)一樣塊，作為本底樣品，用于制作激光清洗試驗樣品。將外源污染物類型粉塵堆積（石灰）、煙熏、墨跡、油漆作為本次污染物，并模擬污染物生成過程，制備樣品，樣品制備方法如下：

（1）鈣質(zhì)結(jié)殼樣品制備（石灰污染）：將巖石樣塊表面涂覆熟化石灰膏體后，戶外存放30d以上。

（2）煙熏樣品制備（煙熏污染）：將巖石樣塊放置于材火灶膛上方，采用麥草、玉米桿、樹枝等作為燃料，熏燒2周天，戶外存放30d以上。

（3）有色污染樣品制備（以墨跡、油漆為主）：將巖石樣塊表面涂覆油漆（調(diào)和漆）、墨汁后，戶外放置30d以上。

本次試驗所用樣品見圖2和圖3。

圖2 激光清洗試驗樣品Fig.2 Testing samples

圖3 激光清洗試驗樣品剖面圖Fig.3 Cross section of testing samples

2.2.2 激光輻射參數(shù)

采用與巖石損傷試驗相同的激光輻射參數(shù)。

2.2.3 試驗方法

從低能量開始，對同一輻射區(qū)域以1Hz頻率輻射10次，依次升高激光能量。如10mJ，輻射樣品，逐漸調(diào)高能量，確定激光清洗不同污染物的能量參數(shù)。濕式激光清洗法中使用的液膜為高純水。利用顯微觀測法評估清洗效果，并記錄清洗過程中的現(xiàn)象和效果，比較干、濕兩種方法的清洗效果優(yōu)劣。

2.3 激光清洗試驗結(jié)果與分析

激光清洗試驗測得的云岡石窟砂巖損傷閾值和污染物清洗閾值見表2。

2.3.1 墨跡清洗效果及分析

干式激光清洗法清除墨跡污染物的清洗效果見圖4。由圖4可見，隨著激光能量的增大，墨跡清洗的效果越明顯，當能量達到60.8mJ時，5～6次脈沖即可將該污染物去除。

表2 砂巖損傷閾值和污染物清洗閾值Table 2 Damage threshold of sandstone and cleaning threshold of contaminants

圖4 不同能量的激光輻射后墨跡樣品的顯微照片F(xiàn)ig.4 Microphotograph of the surface of samples with black ink after different energy laser irradiation

此外，利用濕式激光清洗法進行清洗試驗，得到同一塊墨跡樣品，在同一激光參數(shù)下，干式和濕式兩種激光清洗方法清洗效果的對比圖，見圖5。由圖5可見，濕式激光清洗法的清洗效果更明顯。

圖5 墨跡樣品在同一激光參數(shù)下干式和濕式激光清洗法的清洗效果對比圖Fig.5 Microphotograph of the surface of samples with black ink after dry and wet laser cleaning

2.3.2 煙熏清洗效果及分析

干式清洗法清除煙熏污染物的清洗效果見圖6。由圖6可見，20.5 mJ為煙熏樣品的清洗閾值，隨著激光能量的增大，當能量達到46.6mJ時，砂巖基底露出。此外，利用濕式激光清洗法進行清洗試驗，得到同一塊煙熏樣品，在同一激光參數(shù)下，干式和濕式兩種激光清洗方法的清洗效果差別不大。

圖6 不同能量的激光輻射后煙熏樣品的顯微照片F(xiàn)ig.6 Microphotograph of the surface of samples with smoked dirt after different energy laser irradiation

2.3.3 油漆清洗效果及分析

干式清洗法清除油漆污染物的清洗效果見圖7。由圖7可見，當激光能量達到清洗閾值時，油漆樣品表面開始出現(xiàn)油漆脫落的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為隨著激光輻射，油漆層逐層脫落。由于油漆層很厚，因此當激光能量為48mJ時，有少量的砂巖本底露出；當激光能量為64.3mJ時，5～6次脈沖即可使砂巖本底露出。此外，用濕式激光清洗法進行清洗試驗，得到同一塊油漆樣品，在同一激光參數(shù)下，干式和濕式兩種激光清洗方法的清洗效果差別不大。

圖7 不同能量的激光輻射后油漆樣品的顯微照片F(xiàn)ig.7 Microphotograph of the surface of samples with paint dirt after different energy laser irradiation

2.3.4 石灰清洗效果及分析

干式清洗法清除石灰污染物的清洗效果見圖8。由圖8可見，當激光能量為49.5mJ時，石灰樣品表面開始出現(xiàn)石灰脫落的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為隨著每一次激光輻射，有大量的石灰粉塵濺出。但是由于石灰層厚度較厚，當激光能量較低時，10 次脈沖不能將石灰層完全清除，當激光能量為192.3 mJ時，可露出砂巖本底。

此外，用濕式激光清洗法進行清洗試驗，當激光能量為33.5mJ時，石灰污染物開始脫離表面，而將石灰層完全去除所需要的激光能量為81.2mJ。通過比較干式和濕式兩種激光清洗方法的清洗效果（見圖9）可見，同一塊石灰樣品，在同一激光參數(shù)下，濕式激光清洗法的清洗效果更明顯。

圖8 不同能量的激光輻射后石灰樣品的顯微照片F(xiàn)ig.8 Microphotograph of the surface of samples with lime dirt after different energy laser irradiation

圖9 石灰樣品在同一激光參數(shù)下干式和濕式激光清洗法的清洗效果對比圖Fig.9 Microphotograph of the surface of samples with lime dirt after dry and wet laser cleaning

2.4 激光清除不同污染物的清洗閥值和激光能量使用范圍

采用激光清除砂巖表面污染物有很多獨特的優(yōu)勢，在安全閾值范圍內(nèi)對文物幾乎是無損傷的，并且可以達到需要的清洗效果。通過上述的室內(nèi)試驗，我們已經(jīng)得到激光清洗砂巖的損傷閾值和清洗不同類型污染物的清洗閾值。激光清洗文物，其使用的激光能量必須在損傷閾值以下，因此從理論上講，激光清洗文物表面的污染物的激光能量范圍為清洗閾值之上，損傷閾值以下。由于需要遵循文物保護原則，即對文物采取的保護修復措施必須是安全的，不對文物造成危害，文物修復保護過程中的任何技術(shù)措施不應(yīng)妨礙對文物的再次處理，或?qū)σ院髮嵤┍Ｗo修復措施造成影響，所以定義應(yīng)用激光清除砂巖文物的激光能量上限為砂巖損傷閾值的80%，從而得到了激光清除砂巖文物不同污染物的激光能量使用范圍，詳見表3和圖10。而實際上激光清洗砂巖文物的方式主要是濕洗清洗法。

表3 激光清除砂巖文物不同污染物的清洗閾值和激光能量上限（mJ）Table 3 Cleaning threshold and maximal energy of laser for different contaminants

如圖10所示，圖中柱1、2、3、4分別表示去除墨跡、煙熏、油漆、石灰污染物的清洗閾值，柱5、6分別表示清洗時使用的激光能量上限和砂巖基底的損傷閾值。分析數(shù)據(jù)可知，清洗使用的激光能量上限為砂巖基底損傷閥值的80%，而清洗使用的激光能量上限均高于不同污染物清洗閾值的2～3倍，且從清洗閾值到激光能量上限的能量范圍遠高于激光清洗機的能量不穩(wěn)定度的波動范圍，因此利用激光清除砂巖文物表面的墨跡、煙熏、油漆、石灰污染物是安全有效的。

圖10 激光清除砂巖文物不同污染物的激光能量使用范圍Fig.10 Energy range of laser cleaning for different contaminants

3 現(xiàn)場激光清洗試驗

基于上述室內(nèi)試驗，本研究在山西大同云岡石窟對云岡石窟西43窟墨跡和煙熏黑垢進行了現(xiàn)場激光清洗試驗。

圖11為云岡石窟西43窟巖體上墨跡污染物的清洗效果。由圖11 可知，經(jīng)干式激光清洗法清洗后，墨跡污染物清除效果明顯，但與無污染區(qū)［見圖11（b）］相比，仍有少量墨跡污染物殘留［見圖11（c）］；而經(jīng)“純水+乙醇濕式清洗法”清洗后，墨跡污染物清除效果良好，且基本無污染物殘留［見圖11（d）］，說明濕洗清洗法清洗效果好于干式清洗法。

圖12為云崗石窟西43窟巖體上煙熏黑垢污染物的清洗效果。其中，圖12（a）中的的1、2、3、4 依次為采用“干式清洗法”、“乙醇濕式清洗法”、“純水+乙醇濕式清洗法”和“純水濕式清洗法”清洗后的清洗效果，4個清洗區(qū)中可以明顯看到清洗區(qū)與未清洗區(qū)的交界線，說明清洗效果明顯；圖12（b）給出了區(qū)域4的清洗區(qū)與未清洗區(qū)效果對比放大照片，不僅可以明顯看到清洗區(qū)與未清洗區(qū)的對比效果，而且在清洗后仍保留了巖石本底的原始輪廓，如紅線框中所示，說明激光清洗安全有效；圖12（c）是對洞窟頂部一尊佛像遠程清洗的效果。

圖11 云岡石窟西43窟巖體上墨跡的清洗效果Fig.11 Cleaning effect of dry and wet laser cleaning on the test area with black ink in cave No.43of Yungang Grottoes

圖12 云岡石窟西43窟巖體上煙熏黑垢的清洗效果Fig.12 Cleaning effect of dry and wet laser cleaning on the test area with smoked dirt in cave No.43of Yungang Grottoes

4 結(jié)論

利用激光清洗技術(shù)，對云岡石窟砂巖表面污染物進行了巖石損傷試驗和污染物清除的干式清洗和濕式清洗試驗，分別得到了砂巖的損傷閾值和清除不同污染物的清洗閾值。為確保文物安全，歸納出激光清除不同污染物可使用的激光能量范圍。室內(nèi)和現(xiàn)場激光清洗試驗表明，1 064nm 波長的激光可有效清除云岡石窟石質(zhì)文物表面典型的污染物，且安全可靠，可用于石質(zhì)文物保護。本研究是國內(nèi)首次將激光清洗技術(shù)應(yīng)用于石質(zhì)文物表面污染物的清除，這對激光清洗技術(shù)在文物領(lǐng)域的應(yīng)用起到很好的促進作用。

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