Stained-glass windows play an important role in cultural heritage. Human and environmental factors have subjected these pieces to risks of damage. Mechanical and chemical-based cleaning methods have been used for their restoration and conservation. Additionally, short-pulse lasers have opened new opportunities for safe and controlled cleaning and restoration of these important materials. In this work, ultra-short pulsed lasers were used to clean an artificially applied coating from the surface of a contemporary colorless glass frequently used in the restoration of stained-glass windows. One of the objectives was to explore the applicability of using these types of lasers to safely clean historical stained-glass windows. It was observed that temperature rise and subsequent heat accumulation in the coating layer being removed was sufficient to generate significant thermal stresses on the underlying glass surface leading to damages even when the laser energies are lower than the damage thresholds. Some laser treatments that limit this heat accumulation were designed in this study. For laser systems operating at frequencies in the range of several hundreds of kHz, the option was to work in burst mode, limiting the number of pulses in each burst and selecting an adequate time lapse between two consecutive burst runs. A method to uniformly clean a given surface is proposed in this work. When lower frequencies are available, treatments using frequencies lower than 20 kHz are enough to safely clean the glass. When UV laser radiation is used, optical damage is also an important aspect to be considered. In this case, the cleaning protocol has to deal with both issues, to avoid heat accumulation and chemical damage.

Controlled laser irradiation parameters using recently developed sub-nanosecond pulsed laser technology with emission wavelength in the near Infrared regime (1064 nm) have been assessed on a Pleistocene bone from the archaeological site of Sierra de Atapuerca, Spain. Burst pulse mode was employed to explore contaminant removal efficiency, while at the same time, assessing the degree of damage produced to the underlying original substrate surface. The surface morphology and composition of the deteriorated bone have been characterized, along with the effects of laser irradiation at 1064 nm, using Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy–with Energy Dispersive X-ray Spectrometry (SEM–EDS), and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The most effective laser cleaning parameters in burst mode have been identified in order to optimize the emission parameters of the laser, thus localizing its interaction within the outermost layers of contaminants and degradation products, avoiding damage to the underlying original bone surface. Hence, threshold cleaning and substrate damage values have been determined for this new sub-ns laser, paving the way to safer laser cleaning procedures that may be useful for the effective conservation of bone archaeological artifacts.

The aim of this research work was to conduct a comparative study on the effectiveness of the application of chemical cleaning versus laser cleaning in the removal of surface congruent dissolution products from a potash-lime–silica historical stained-glass sample. EDTA was selected as the chemical cleaning agent. Laser cleaning was performed using a 238 fs pulse UV (343 nm) laser. The comparative cleaning studies were carried out on a stained-glass piece supplied by the Maison Lorin Glass Restoration Workshop from Chartres, France. Given the complex nature, irregular thickness and heterogeneity of the encrustations found on the glass, the two cleaning approaches were carefully performed step by step, while monitoring the process using an optical microscope. Raman spectroscopy and field emission scanning electron microscopy were used to characterize the changes induced on the sample surface during the cleaning process. The results demonstrate that the two cleaning approaches were able to eliminate the outer surface dark layer associated with carbon compounds, as well as the external part of the white layer generated by the crystallization of salts, formed with the dissolved elements after a reaction with the air. A comparison of the advantages and disadvantages of each method is also presented.

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.