Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Jan 2022)
Historical stained-glass window laser preservation: The heat accumulation challenge
Abstract
Stained-glass windows form an important part of cultural heritage. Short pulse lasers open new opportunities for safe decontamination. In this work, and for the first time, the interaction of sub-nanosecond and femtosecond pulsed lasers with some contemporary stained-glasses has been analyzed exploring their applicability to safely clean stained-glass windows. The results show that, in these materials, damage can be induced using energy levels below damage thresholds due to the heat accumulation in the coating layer that is being eliminated. The latter generates significant thermal stresses on the glass volume, which induce crack formation. In consequence, in order to apply safe stained-glass cleaning protocols, laser parameters have to be selected to control the temperature increase within this layer. To achieve the latter goal, two alternative irradiation procedures were explored in this work. As a first option, a reduction of the effective pulse repetition frequency to values lower than 20 kHz was applied. A second alternative was used for lasers with pulse repetition rates in the hundreds of kHz. In this case, the burst mode was employed controlling the number of pulses emitted and combined with an adequate time lapse selection between two consecutive burst runs. A proof of concept demonstration was carried out on a stained-glass sample from the Cathedral of Cuenca, dated at the end of the XV century. Resumen: Las vidrieras constituyen un elemento esencial de nuestro patrimonio cultural. Los láseres de pulsos ultracortos ofrecen nuevas oportunidades para desarrollar procesos de restauración seguros. En este trabajo, por primera vez, se estudia la interacción de láseres pulsados emitiendo pulsos en el rango de los subnanosegundos y femtosegundos con piezas de vidrieras contemporáneas, con el fin de explorar la posibilidad de desarrollar procesos seguros de restauración de vidrieras. Los resultados muestran que, en estos materiales, incluso trabajando con niveles de energía por debajo de los umbrales de daño, se puede generar deterioro por la acumulación de calor generada en la capa que se está eliminando, lo cual puede generar niveles de tensiones térmicas que provocan la ruptura del vidrio. Por tanto, para desarrollar protocolos de limpieza seguros, los parámetros de procesado deben escogerse de tal manera que se minimice la temperatura que se alcanza en esta capa. Se han explorado dos alternativas. Una es reducir la frecuencia de trabajo hasta valores por debajo de los 20 kHz. En el caso de láseres que trabajen a frecuencias más elevadas, la alternativa es trabajar en modo burst, limitando el número de pulsos en cada serie y estableciendo tiempos de espera entre dos series. Estas ideas se han aplicado sobre una pieza de vidriera de la Catedral de Cuenca de finales del siglo XV.
