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

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Presentazione sul tema: "LE APPLICAZIONI DEL LASER NELLA CONSERVAZIONE DEI BENI CULTURALI Ph.D. Alessandro Zanini – Comitato Scientifico."— Transcript della presentazione:

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

2 LASER Laser non è una parola, ma un acronimo che definisce:Laser non è una parola, ma un acronimo che definisce: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Principi generali

3 MARX KARL PLANCK nel dicembre del 1900 formulò lipotesi dei quanti suppose che esistesse un quanto di azione cioè una denominazione molto piccola ma non nulla oltre la quale non si può dividere lenergia

4 Principi generali1905 Un giovane sconosciuto impiegato dellUfficio 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

5 COSE LA LUCE La luce è un tipo di radiazione elettromagnetica (Lenergia è la capacità di fare un lavoro) Principi generali

6 ONDE ELETTROMAGNETICHE Principi generali

7 LUNGHEZZA DONDA Lunghezze donda 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 donda, che rappresenta la distanza tra due picchi consecutivi. La lunghezza d'onda determina il colore della luce,

8 LUNGHEZZE DONDA NEL VISIBILE Principi generali

9 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.

10 LUCE Luce solare Luce emessa da una sorgente laser Principi generali

11 LASER E un amplificatore otticoE un amplificatore ottico Ora la parola laser definisce uno strumento per: comunicazioni, misure (spettroscopia), medicina, processi industrialiOra la parola laser definisce uno strumento per: comunicazioni, misure (spettroscopia), medicina, processi industriali Principi generali

12 I LIVELLI ENERGETICI Livelli energetici di un atomo In condizioni normali gli elettroni occupano i più bassi livelli energetici disponibili: si dice che latomo si trova nel suo stato fondamentale. Se latomo riceve energia, lelettrone più esterno può passare ad un livello energetico più alto: latomo si trova ora in uno stato eccitato. Dopo un certo istante di tempo latomo tende a ritornare allo stato fondamentale, più stabile. In alcuni materiali ciò avviene con lemissione di unonda elettromagnetica di energia pari esattamente al salto energetico.

13 Principi generali EMISSIONE SPONTANEA Poiché tra lenergia e la lunghezza donda cè una relazione biunivoca, la luce ottenuta in questo modo viene detta monocromatica (un solo colore), in quanto caratterizzata da una sola lunghezza donda. Siccome non tutti i materiali permettono lemissione 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

14 Principi generali EMISSIONE STIMOLATA Il processo che conferisce alla luce laser proprietà uniche è lemissione stimolata. Se unonda interagisce con un atomo che si trova in uno stato eccitato, può forzare (stimolare) lelettrone a tornare allo stato fondamentale, con lemissione di unonda. Come risultato dellemissione 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 delluna si manifesta nello stesso identico istante dellaltra). La luce generata in questo modo si dice coerente. La figura mostra come la sovrapposizione di onde coerenti realizzi lamplificazione della luce. Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti

15 Principi generali EMISSIONE STIMOLATA Un materiale in condizioni normali non si troverà mai in uno stato eccitato. Per sfruttare il principio dellemissione 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: lemissione stimolata, di cui si è appena parlato, e lassorbimento, in cui unonda colpisce un atomo nello stato fondamentale e ne viene assorbita. Per avere luce laser (amplificazione) lemissione stimolata deve essere più intensa dellassorbimento, 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

16 Principi generali CAVITA RISONANTE Il processo dellemissione stimolata, tuttavia, può causare unamplificazione 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 lasse 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

17 Principi generali EMISSIONE STIMOLATA per avere oscillazione laser è necessario raggiungere una condizione di soglia Il guadagno, dovuto allamplificazione, 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.

18 STORIA DEL LASER IL PRIMO LASER FU COSTRUITO DAIL PRIMO LASER FU COSTRUITO DA Maiman nel 1960 Il primo laser era un laser al rubinio con una luce rossa alla lunghezza donda di 0,6943μmIl primo laser era un laser al rubinio con una luce rossa alla lunghezza donda di 0,6943μm Principi generali

19 Quadro 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 Francia 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 INTERVENTI

20 Principi generali Nel corso di questi decenni la tecnologia laser ha compiuto una rapida evoluzione sviluppando sistemi sempre più perfezionati e rispettosi dellopera darte Il laser rappresenta una soluzione davanguardia 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 lablazione di una crosta nera scura rispetto ad un substrato più chiaro

21 PARAMETRI DELLA PULITURA Lunghezza donda Durata dellimpulso Dose di irradiazione Si tratta comunque di parametri che vanno correlati alle caratteristiche del materiale da pulire Applicazioni Laser - Interventi

22 PARAMETRI DELLA PULITURA La profondità di penetrazione dipende dalla lunghezza donda 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) Applicazioni Laser - Interventi

23 PARAMETRI DELLA PULITURA Le proprietà ottiche giocano un ruolo fondamentale La crosta nera assorbe una quantità elevata di radiazione Il marmo bianco riflette la radiazioniIl marmo bianco riflette la radiazioni Applicazioni Laser - Interventi

24 PARAMETRI DELLA PULITURA Morfologia della superficie Proprietà chimiche degli strati di alterazione Proprietà chimiche del substrato Applicazioni Laser - Interventi

25 PARAMETRI DELLA PULIUTURA Durata dellimpulso Laser 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 durto sulla superficie Fratturazioni locali, incremento della porosità, microframmentazione LASER A IMPULSO LUNGO Microsecondi Minore densità di plasma Vaporizzazione termica Modificazioni termiche superficiali Applicazioni Laser - Interventi

26 CONFRONTO FRA TIPI DIMPULSO CONFRONTO FRA TIPI DI MPULSO (da A. Brunetto 2000)

27 Principi generali Laser QS (impulso breve) Effetto fotomeccanico Maggior produttività Indicati per supporti organici Difficoltà di graduare lintervento 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

28 Principi generali IL LASER E GLI ALTRI SISTEMI DINTERVENTO 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 limpiego in senso qualitativo Vanno definiti protocolli dimpiego (UNInormal)

29 Principi generali MISURE DI SICUREZZA GENERALI PER LASER DI CLASSE 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

30 Principi generali PROTEZIONE OCULARE Usare occhiali che abbiano le informazioni adeguate per un loro uso corretto Lunghezza donda appropriata Distanza di rischio oculare Densità ottica richiesta Scelta degli occhiali Portabilità Campo visivo Aderenza Ventilazione Superfici non riflettenti

31 Principi generali MISURE DI SICUREZZA ESTERNE Va determinata la zona nominale di rischio (ZNR) Va vietato laccesso nella zona dove si supera lesposizione massima permessa (EMP) Il personale ammesso entro la ZNR deve essere autorizzato e adeguatamente protetto Allinterno 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

32 Principi generali SUGGERIMENTI PRATICI Far indossare sempre gli occhiali a chi si avvicina al laser Non guardare mai il laser in funzione nellapertura o alla fine del manipolo Evitare riflessi e superfici riflettenti in prossimità del fascio Tenere presente che superfici opache nel visibile sono riflettenti nellinfrarosso (Nd:YAG) Usare quindi strumenti sabbiati


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