Ανάπτυξη οπτικών και φασματοσκοπικών διατάξεων λέιζερ για το χαρακτηρισμό και την ανάλυση υλικών σε αρχαιολογικά αντικείμενα και έργα τέχνης

Abstract

Aim of the present study is the development of laser-based spectroscopy methodology and instrumentation for the analysis of materials in archaeological objects and works of art. In particular, two techniques are investigated: Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS), which provides elemental composition information, based on the optical emission from a laser ablation plasma and Raman spectroscopy, that enables identification of materials on the basis of characteristic vibrational transitions recorded in the Raman spectra. The first part of this study concentrates on the development of a compact, portable LIBS system. The unit was evaluated in the laboratory as well as in the museum environment, where it was used for a) the characterization of materials in archaeological objects, mainly metals and pottery, and b) the identification of inorganic pigments in painted artworks. Extending the concept of mobile instrumentation the potential of a hybrid approach was investigated with the aim to combine two complementary techniques, LIBS and Raman spectroscopy, which would enable elemental and molecular analysis respectively, to be carried out on the same instrument. The optical design, components and analytical performance of the hybrid system is presented. The second part of this work focuses on developing an efficient analytical LIBS methodology for the quantitative analysis of binary, ternary and quaternary copper alloys of archaeological significance. Detailed studies were carried on several experimental factors, which determine the plasma formation and subsequent emission processes in order to define a proper experimental methodology that would enable reliable quantitative analysis of archaeological copper alloys.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη φασματοσκοπικών διατάξεων λέιζερ καθώς και κατάλληλης μεθοδολογίας για την ανάλυση υλικών σε αρχαιολογικά αντικείμενα κι έργα τέχνης. Συγκεκριμένα, μελετώνται δύο τεχνικές: η Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από Λέιζερ (LIBS), η οποία παρέχει στοιχειακή πληροφορία, βασιζόμενη στην οπτική εκπομπή από πλάσμα επαγόμενο από λέιζερ και η Φασματοσκοπία Raman, που επιτρέπει το χαρακτηρισμό υλικών με βάση τις χαρακτηριστικές δονητικές μεταπτώσεις. Το πρώτο τμήμα της εργασίας επικεντρώνεται στην ανάπτυξη φορητού συστήματος LIBS. Η μονάδα αξιολογήθηκε τόσο στο εργαστήριο όσο και σε περιβάλλον μουσείων, όπου χρησιμοποιήθηκε για α) το χαρακτηρισμό υλικών σε αρχαιολογικά αντικείμενα, κυρίως μέταλλα και κεραμικά και β) την ταυτοποίηση ανόργανων χρωστικών σε ζωγραφικά έργα τέχνης. Επεκτείνοντας την έννοια της φορητής οργανολογίας, διερευνήθηκαν οι προοπτικές μιας υβριδικής προσέγγισης, με σκοπό το συνδυασμό δύο συμπληρωματικών τεχνικών, των φασματοσκοπιών LIBS και Raman, που επιτυγχάνει στοιχειακή και μοριακή ανάλυση αντίστοιχα με το ίδιο όργανο. Παρουσιάζονται ο οπτικός σχεδιασμός, τα συστατικά και η αναλυτική απόδοση του υβριδικού συστήματος. Το δεύτερο τμήμα της εργασίας επικεντρώνεται στην ανάπτυξη αποτελεσματικής αναλυτικής μεθοδολογίας LIBS για την ποσοτική ανάλυση διμερών, τριμερών και τετραμερών κραμάτων χαλκού αρχαιολογικής σημασίας. Διεξήχθησαν ενδελεχείς μελέτες για ποικίλους πειραματικούς παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν το σχηματισμό πλάσματος και τις επακόλουθες διαδικασίες, με σκοπό να καθοριστεί κατάλληλη πειραματική μεθοδολογία που επιτρέπει αξιόπιστη ποσοτική ανάλυση αρχαιολογικών κραμάτων χαλκού.