纳秒激光清洗技术在紫禁城大理石上的应用

故宫博物院现存较多的石质文物,这些石质文物放置在自然环境中,长期受到环境的侵蚀,会在表面形成较硬的难以去除的黑色结壳污染物,严重影响石质文物的美观和体现雕刻的细节。文章选取两件故宫博物院内不同区域撤下的石质构件作为研究对象,利用扫描电镜、拉曼和X射线荧光三种方法取样测试黑色结壳污染物的成分。为避免变黄效应,对于黑色结壳污染物采用红外与紫外相结合的双波长进行激光清洗,同时改变两束激光的能量,但不改变两者的能量比。实验结果显示,当红外和紫外的能量分别为16.8mJ和1.2mJ时,对较厚的黑色结壳污染物有良好的清洗效果。将清洗部分和未清洗部分进行对比,证明激光清洗技术能有效清除石质文物表面的黑色结壳污染物,并利用显微的方法对清洗效果进行评价。

大理石文物样品皮秒激光清洗实验研究

随着超快激光“冷加工”技术的发展,超快激光逐渐开始应用于文物保护领域。针对古城墙文物表面污染物清洗的应用需求,制作类城墙的大理石文物及表面污染物模拟样品,进行基于皮秒激光的文物样品清洗实验研究,并与纳秒激光清洗的效果进行对比。实验中采用共聚焦显微镜观测和荧光能谱仪成分分析等手段,改变激光输出能量,清洗次数和扫描速度等激光清洗参数,在不损伤大理石基底并综合考虑清洗效率和清洗效果基础上,寻找优化实验参数。实验发现皮秒激光清洗优化参数为激光功率18W,扫描速度1000mm/s,清洗次数8次。清洗后主要污染物硫元素占比下降94.57%,清洗后区域表面粗糙度为1.267μm。综合考虑清洗后污染物成分占比、表面粗糙度等方面,皮秒激光清洗大理石文物样品的整体效果优于纳秒激光清洗区域。

周期锈蚀现象与Liesegang图案——两件古代青铜器样品的剖面分析

两种锈蚀产物出现交替分层结构的现象被成为“周期锈蚀现象”,这种现象在考古出土青铜器锈蚀中偶有发现,目前尚没有对此现象的权威理论解释。以中国四川地区出土的两件青铜器出现的“周期锈蚀现象”为例,通过金相显微镜、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)和拉曼光谱分析等分析手段,发现中国四川城坝遗址出土青铜器CB-1的锈蚀条带为低结晶度的锡腐蚀产物和高结晶度的Cu_(2)O的交替层,这种规律的交替分层可能归因于Cu_(2)O在凝胶介质中的Liesegang结晶循环,这种凝胶介质就是均匀的非晶态的锡腐蚀产物。而四川罗家坝遗址出土青铜器LJB-38的锈蚀条带为锡腐蚀产物Sn Ox·nH_(2)O与少量Cu_(2)(OH_(2))CO_(3)与Cu_(2)O的交替层,但未呈现任何规律图案,其原因可能是“去铜化”现象导致铜迅速向外迁移,同时铸造青铜器(α+δ)共析体腐蚀形成的假晶结构破坏了锡腐蚀产物凝胶的均匀性。

四川三星堆遗址三号祭祀坑出土青铜器浅蓝色粉末状腐蚀产物的科学分析

针对三星堆遗址三号祭祀坑出土的青铜器物表面作为特征存在的浅蓝色粉末状锈蚀物,综合利用显微拉曼光谱仪与X射线荧光光谱仪等分析测试手段,在前人相关研究基础上,提出了新的认知与补充。研究结果显示:三星堆特征的浅蓝色粉状锈主要组成为非晶态Sn化合物掺杂有部分孔雀石与碳酸铅,浅蓝色粉状锈表面存在白色的白铅矿与磷氯铅矿。根据存在形式不同,浅蓝色粉状锈存在三种分层状态。其中磷氯铅矿的形成与三星堆遗址中埋藏的大量象牙存在关联。

古代青铜器锡腐蚀产物研究回顾——特点、表征方法、腐蚀模型

对青铜器腐蚀机理的研究是对其进行保护修复的重要前提,在过去的数十年间,与铜和铅的腐蚀产物相比,文物保护领域对于锡腐蚀产物的认识和研究是相对缺乏且零散的。本文回顾了不同领域在锡腐蚀产物发展过程、特点以及表征方法等方面的研究成果。青铜器中锡腐蚀后一般首先形成复杂的水合氧化物(SnO_(x)·nH_(2)O),随后在氧化性条件下进一步氧化脱水,向锡石(SnO_(2))转变,但由于此转变过程漫长而复杂,导致了锡腐蚀产物具有低结晶度、高电阻率、离子交换等特殊性质。通过梳理X射线衍射分析技术、拉曼光谱以及X射线光电子能谱以及其他分析方法在青铜器锡腐蚀产物表征中的应用进一步探讨了锡腐蚀产物的性质。最后,本文在回顾不同环境下的锡腐蚀产物的研究成果的基础上,介绍并比较了不同环境下青铜器的腐蚀模型。

大型综合性博物馆文化遗产全生命周期数字孪生理论模型的探讨

针对大型综合性博物馆文化遗产数据的多元性、价值呈现的局限性、保护与利用的矛盾问题,从物理系统及其演化方面,构建大型综合性博物馆数字孪生模型,以实现文化遗产的全生命周期动态演化、赋能价值挖掘呈现、促进科学保护服务传承,是文化产业数字化转型升级的重要途径。基于此,在文化遗产的“历史-现状-未来”时序关系、空间特征、静态与动态相结合的基础上,总结了一套面向大型综合性博物馆文化遗产的基于价值的全生命周期数字孪生理论模型,可为基于文物价值链的博物馆数字孪生模型构建及不同业务场景应用提供有价值的参考。

基于高光谱技术的古书法文物隐藏字迹识别

古书法文物中的字迹内容是记载中国古人社会文明的重要信息,获取并识别其纸面中的隐藏字迹对于文物的历史背景研究和人文典籍搜集具有重要的意义。然而,传统的书法文物隐藏字迹识别方法依赖于人工经验判读,对研究人员的经验积累要求较高,且分析过程耗时较长,易对文物产生二次损伤。针对这一困难,高光谱遥感凭借非接触、高效的特点,在采集纸质文物表面空间属性的同时,也获取了其文物丰富的光谱信息,从光谱维实现了书法文物的数字化存储。首先,使用最小噪声分离(MNF)变换发现了书法文物中隐藏的模糊信息,设计出了一种基于线性差异增强(LDE)的光谱变换方法对其进行进一步识别,并统计其变换前后的光谱特征参量、以及MNF提取的成分图像,采用熵评价以获取其中信息丰度最高的光谱图像,有效识别出了该文物的隐藏字迹内容。研究结果表明:(1)书法文物高光谱影像在进行MNF变换处理后,得到的第一信息成分图像中显示出了隐藏在文物字迹中的模糊图案,其光谱形态与该文物其他内容要素之间存在相似性,但幅值存在差异;(2)通过LDE算法能有效扩大文物中隐藏信息与字迹光谱之间各个波段的相对差异,并且增强后隐藏字迹的大部分光谱特征也得到了显著增强;(3)文物数据经过LDE处理后,分别在波长范围、光谱特征和MNF子成分中的图像熵值得到了一定程度的提升,其中以LDE处理后的光谱方差(SV)图像的熵值最高,为6.74 bit;(4)在文物经过LDE处理后SV图像中,有效识别出隐藏在文物中的字迹内容,为不属于《心经》中的佛经,证明了该文物所用纸张为写经纸。研究结果有效发现并识别出了隐藏在乾隆墨宝背后的隐藏字迹,丰富了该文物的历史人文背景,为后续古书法文物中的隐藏字迹信息提取提供了科学的理论与技术支撑。

三波长皮秒激光清洗石质文物的对比研究

针对安全高效地清除石质文物表面污染物的需求,进行1064、532、355 nm三个波长皮秒激光清洗自制石质文物样品的数值模拟和实验的对比研究。使用双温模型模拟三个波长皮秒激光与污染物相互作用的过程和其与同能量密度激光烧蚀深度的差异,通过实验确定石质文物表面污染物在三个波长皮秒激光作用下的清洗阈值,并从清洗阈值、清洗效率、粗糙度、元素含量等多方面对比分析了三个波长皮秒激光清洗效果的差异。实验中使用共轴电荷耦合器件(CCD)实时监测系统以控制激光清洗的进程,使用共聚焦显微镜和荧光能谱仪分别测量清洗后石质文物的表面粗糙度和元素含量。实验结果表明,三个波长皮秒激光的清洗阈值分别为0.198±0.033、0.573±0.114和(0.739±0.249)J/cm^(2)。能量密度为2 J/cm^(2)时,三个波长的激光烧蚀污染层深度分别为171、106、62μm,且1064 nm波长的激光清洗后的样品表面粗糙度最小,污染物的主要成分硫元素(S)和铁元素(Fe)的含量最低。综合考虑清洗阈值、清洗效率、清洗后样品表面粗糙度、污染物元素含量等多方面,1064 nm波长的激光清洗阈值最低,清洗效率最高,清洗得最为彻底,整体清洗效果优于另外两个波长激光。

壁画文物缺陷的数字全息检测与分析

利用漫反射表面全息图记录原理,结合声波扫频激励方式,针对壁画文物表面及亚表面存在的裂纹、空鼓等缺陷检测需求,本团队研制了便携式数字全息形变检测系统;采用基于高斯1σ准则和直方图分割消除声波振动引入的背景相位,实现缺陷与背景信息的剥离,并将研制的系统应用于北京故宫博物院内壁画文物的原位检测与分析。结果表明:声波激励可以有效激励表面或亚表面微观缺陷形成异常干涉条纹;基于所提出的背景相位消除算法能有效提取缺陷的位置和轮廓特征,实现被测壁画表面微观裂纹或亚表面空鼓、异常结构的检测与分析,为壁画健康诊断、修复和保护提供可量化的参考依据。

基于高光谱数据的纸张粘度反演模型构建

纸质文物对我国历史文化传承和民族精神延续具有重要意义,而纸张老化严重损害了文物寿命。纸张粘度是反映纸张老化程度的重要指标,传统粘度测量方法是一种有损的破坏性实验,对珍贵文物造成不可避免的二次伤害。针对这一问题,高光谱遥感技术能够实现无损快速分析,是建立纸张粘度反演的有效途径。以干热和湿热纸张老化为研究对象,获取了110组测定粘度含量的模拟纸张老化样本,通过光谱滤波处理,建立了纸张老化的高光谱数据库。在此基础上,对比分析了原始光谱的一阶微分、二阶微分、倒数对数、倒数对数一阶微分以及多元散射校正、多元散射校正光谱一阶微分、多元散射校正光谱二阶微分、多元散射校正光谱倒数对数和连续小波变换9种数据处理方法,将其与基于竞争自适应重加权采样算法(CARS)和相关系数法(R)组合作为模型的输入,通过数据集划分验证优选出最优模型。研究结果表明:(1)原始光谱430 nm处光谱数据与粘度相关性最高,R为0.75,经过原始光谱倒数对数一阶微分变换后,430 nm处的R为0.874,显著增加了光谱中纸张粘度信息;(2)原始光谱二阶微分变换后,578 nm处的相关性最高,R为0.57,远低于原始光谱数据的最高R(0.75),说明二阶微分不适应于纸张粘度估算,同时其他变换方法的最大相关系数均大于原始光谱,表明了光谱变换的有效性;(3)对于原始光谱,随着分解尺度的增加,光谱中包含的纸质粘度信息有所减少,最大相关系数出现在分解尺度2的484 nm处,为0.873;(4)在不同的输入组合中,原始光谱倒数对数一阶微分作为输入时的模型精度最高,基于CARS方法的支持向量机回归(SVR)、随机森林(RF)和AdaBoost模型在验证数据集中的R^(2)分别为0.96、0.93和0.93,RMSE分别为14.80、18.33和19.79 mL·g^(-1),建议在纸张粘度反演中,优先选择原始光谱倒数对数一阶微分作为输入,CARS特征选择算法的SVR模型。以上研究结论表明了高光谱技术在纸张粘度无损分析的适用性,能够对纸质文物的修复工作提供科学依据。