Intervention laser sur verre historique

Laser based intervention on historical stained-glasses

• Auteur / Autrice : Evan Maina Maingi
• Direction : Rémy Chapoulie, María Pilar Alonso Abad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des archéomatériaux
• Date : Soutenance le 06/09/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux 3 en cotutelle avec Universidad de Burgos
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Montaigne-Humanités (Pessac, Gironde ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Archéosciences - Bordeaux (Pessac (Gironde))
• Jury : Président / Présidente : Bruno Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Chapoulie, Giannis Zacharakis, Angel Larrea Arbaizar, Elena Vicente Domingo, Anne Chabas, Jose Miguel Carretero Diaz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giannis Zacharakis, Angel Larrea Arbaizar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Patrimoine culturel -- Conservation et restauration

Effets des lasers

Nettoyage

Vitraux médiévaux

Utilisation

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

Conservation

Patrimoine culturel

Vitraux

Lasers à impulsions ultra-courtes

Nettoyage laser

Conservation

Cultural heritage

Stained-glass

Ultra-short pulsed lasers

Laser cleaning

Résumé

Cette thèse étudie l'interaction laser-verre du point de vue de la conservation. Un certain nombre de techniques ont été identifiées pour réaliser les résultats finaux. Une première évaluation de l'interaction laser-verre a été entreprise, en tenant compte des paramètres d'émission laser et des propriétés physico-chimiques du matériau. Le traitement au laser des morceaux de verre a été effectué pour étudier l'efficacité du nettoyage au laser sous des paramètres laser contrôlés. Les trois principales interactions laser-matière prises en compte au cours de ce travail sont photothermiques, photochimiques et photomécaniques.Les matériaux pour ce projet comprenaient des verres modernes utilisés à des fins de restauration acquis auprès de la Verrière de Saint-Just France, des vitraux historiques de la cathédrale de Cuenca et de la cathédrale de Chartres.Ce travail de recherche a pris en compte l'importance de l'établissement de critères de sélection d'outils laser pour la décontamination/conservation des verres historiques, la comparaison des méthodes de conservation au laser avec d'autres techniques de restauration, développement d'une méthode de conservation laser dynamique, automatisée ou semi-automatisée des. Les résultats généraux attendus pour ce travail étaient les suivants : Faire progresser la compréhension des interactions laser avec des lunettes historiques. Développer des critères pratiques pour appliquer les lasers dans la conservation du patrimoine. Identifier les problèmes associés aux verres historiques, selon leur origine et leur utilisation. Développer les compétences nécessaires pour sélectionner, utiliser et appliquer des lasers aux problèmes des matériaux du patrimoine en général.Des lasers pulsés ultra-courts picoseconde et femtoseconde ont été utilisés pour établir des protocoles de nettoyage au laser de la surface d'une série de vitraux contemporains fréquemment utilisés en restauration. L'un des objectifs étant d'explorer l'applicabilité de l'utilisation ces lasers pour nettoyer en toute sécurité les vitraux historiques et définir des protocoles sûrs et efficaces.Les résultats ont montré que le facteur limitant était l'accumulation de chaleur dans la couche de revêtement qui était éliminée, générant par la suite des contraintes thermiques importantes et destructrices. Différents protocoles de nettoyage au laser ont été conçus permettant un contrôle des gradients de température locaux induits par le laser qui pourraient détériorer le verre. Deux alternatives différentes ont été explorées. La première, basée sur l'application du mode rafale lors de l'utilisation de lasers fonctionnant avec des fréquences de l'ordre de plusieurs centaines de kHz, limitait le nombre d'impulsions dans chaque rafale en fonction d'un laps de temps entre deux rafales consécutives. La seconde, réduisait la fréquence effective à des valeurs inférieures à 20 kHz.Les protocoles établis ont été appliqués pour le nettoyage au laser des vitraux historiques de la cathédrale de Cuenca (Espagne) et de la cathédrale de Chartres (France). Les verres ont été analysés avant et après nettoyage au laser par microscopie optique et confocale, microscopie électronique à balayage, spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie, fluorescence X et spectroscopie Raman. Il a été possible de replacer les verres dans leur contexte historique ainsi que d'identifier les composés constitutifs de la croûte qui s'était formée à la surface de ces verres. Les résultats du nettoyage au laser ont montré que le protocole proposé était efficace pour décontaminer les verres historiques sans induire de dommages sur la couche de grisaille ou sur le substrat de verre.Enfin, une étude a été réalisée pour faire une comparaison entre les méthodes de restauration conventionnelles avec le nettoyage au laser. Il a été démontré que le nettoyage au laser est une technique efficace, sûre, rapide, précise et contrôlable pour la restauration de vitraux historiques.

Stained-glass windows form an important part of cultural heritage. Human andenvironmental factors have subjected these pieces to damage. Mechanical and chemicalbased cleaning methods have been used for their restoration and conservation, which havepractically not changed much and have overtime become the conventional methods. Ultrashort pulse lasers have opened up new opportunities for safe and controlleddecontamination. These types of lasers are promising because they are controllable, safeunder certain condition of use and are environmentally friendly among other advantages.In this work, ultra-short picosecond and femtosecond pulsed lasers have been used fordeveloping laser cleaning protocols of the surface of a series of contemporary stainedglasses frequently used in restoration; one of the objectives being to explore theapplicability of using these lasers to safely clean historical stained-glass windows and todefine safe and effective protocols for laser cleaning of these glasses. Results showed that,even when working with energy values lower that the damage threshold, the limiting factorwas the heat accumulation in the coating layer that was being eliminated, subsequentlygenerating significant and destructive thermal stresses. Different laser cleaning protocolshave been designed allowing a control of the laser induced local temperature gradients thatcould deteriorate the glass. Two different alternatives were explored. The first one is basedon applying the burst mode when using lasers operating with frequencies in the range ofseveral hundreds of kHz. This protocol is based on limiting the number of pulses in eachburst and selecting an adequate time lapse between two consecutive burst runs. The secondone is based on reducing the effective frequency to values lower than 20 kHz. Theestablished protocols were applied for laser cleaning of historical stained-glass windowsfrom Cuenca cathedral (Spain) and Chartres cathedral (France). The glasses were analyzedbefore and after laser cleaning by optical and confocal microscopy, scanning electronmicroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray fluorescence and Ramanspectroscopy. It was possible to place the glasses in their historical context as well as toidentify the constituent compounds of the crust that had formed on the surface of theseglasses. Laser cleaning results showed that the proposed protocol was effective indecontaminating the historical glasses without inducing damage to the grisaille layer or onthe glass substrate. Finally, a study was carried out to make a comparison betweenconventional restoration methods with laser cleaning. It was demonstrated that lasercleaning is an effective, safe, fast, precise and controllable technique for restoration ofhistorical stained-glass windows.