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

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

MARX 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 Principi generali

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 Principi generali

COS’E’ LA LUCE La luce è un tipo di radiazione elettromagnetica (L’energia è la capacità di fare un lavoro) Principi generali

ONDE ELETTROMAGNETICHE Principi generali

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, Principi generali

LUNGHEZZE D’ONDA NEL VISIBILE Principi generali

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. Principi generali

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

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

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. Principi generali

Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti EMISSIONE SPONTANEA Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti 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. Principi generali

Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti EMISSIONE STIMOLATA Sovrapposizione di onde coerenti e incoerenti 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. Principi generali

EMISSIONE STIMOLATA Assorbimento, emissione spontanea ed 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. Principi generali

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 Principi generali

EMISSIONE 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. Principi generali

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

QUADRO STORICO DEGLI INTERVENTI 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 economico

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 Principi generali

PARAMETRI DELLA PULITURA Lunghezza d’onda Durata dell’impulso Dose di irradiazione Si tratta comunque di parametri che vanno correlati alle caratteristiche del materiale da pulire Applicazioni Laser - Interventi

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

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

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

PARAMETRI DELLA PULIUTURA Durata dell’impulso 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 d’urto 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

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

Laser QS Laser SFR (impulso breve) (impulso medio) 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 Principi generali

IL LASER E GLI ALTRI SISTEMI D’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) 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 Principi generali

PROTEZIONE 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 visivo Aderenza Ventilazione Superfici non riflettenti Principi generali

MISURE 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 Principi generali

SUGGERIMENTI 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 Principi generali