本文为中国激光第2177篇。
欢迎点击在看、转发，让更多人看到。
2001年11月，西安。
在某大学的建筑工地上，一大片唐朝墓葬群暴露出来。由于渗水严重，棺木破败不堪，但考古专家却发现了一件完整的头冠（李倕凤冠），虽然历经千年，但仍然能看到这顶头冠的惊世之美，上面镶嵌了密密麻麻的宝石，极尽奢华。
为了解和判断冠饰上装饰物的种类和制作工艺，中科院上海光机所与陕西省考古研究院合作，利用便携式XRF及数码显微镜等仪器对这顶冠饰上镶嵌的宝玉石、玻璃及金饰进行了原位无损分析，成功检测出冠饰上各色坠饰、花瓣和贴饰所使用的材料种类。
考古学是通过对古代物质遗存的研究，复原古代人类历史的科学。19世纪，自然科学的发展促进了考古学的成熟，借鉴和吸收了地质学中的地层学和生物学中的分类学，形成了考古地层学和器物分析的类型学，成为现代考古学的开端。考古学与生俱来就与自然科学密不可分，随着现代科学技术的进步，越来越多的光学技术成功应用到考古勘探、发掘和研究中，在不可移动文物和可移动文物领域均发挥了重要作用，提供了丰富的古代社会信息。国际上，自然科学界、文物研究和保护领域的重要学术期刊及学术著作，都大量报道了光学分析检测技术的发展及其在文物研究和保护领域应用的相关成果。国际光学工程学会（SPIE）自2003年开始，以“艺术、建筑与考古学用光学” （O3A: Optics for Arts, Architecture, and Archaeology）为主题，连续举办了数届国际学术会议，对该领域相关的科学与技术问题进行了专题研讨，并出版了相关的论文集。欧洲层面设立的COST ACTION G7（Cooperation inthe field of Scientific and Technical Research） “利用激光进行保护（Conservation by Laser）” 计划项目（2000-2006年），参与国家多达21个，内容涉及激光和光学系统对文物的分析与诊断、激光系统和工艺用于文物清洁（石质和金属文物）、以及实时光学系统对文物保存环境的监控及文物响应。新时代的中国考古学及文物保护领域，也逐渐以积极地姿态拥抱现代科学技术，光学科技尽显神通。就在前不久，“一醒惊天下”的三星堆遗址重大考古发现，全国34家科研单位联合参与了考古发掘，光学数码显微镜、高光谱成像系统、X射线荧光光谱……综合应用了一大批现代科技“利器”，发现了可能附着于青铜器表面的丝织品痕迹，提取出了文物的光谱信息和材质属性。发掘现场犹如大型科技实验室，变身为中国现代科技的“秀场”。
在正式考古发掘之前，结合航空技术的光学遥感技术“先行一步”，进行考古调查和勘探，其使用可见光、红外光、合成孔径雷达等成像方法，可以获取大面积的影像资料。
光学遥感技术经历了从全色、彩色到多光谱、高光谱的发展，高光谱遥感可以获取连续完整的地物波谱曲线，更加精细鉴别地物类型，具有高光谱分辨率与高空间分辨率的优势。古代遗存的土壤、微地貌、植被有着不同的电磁波特征，与周边环境会有细微的差异，利用信息技术将影像制成三维模型，不仅可以反映“面”信息，还能更全面地反映“体”信息。
建模后，可对地面进行三维展示，为研究者和公众提供更丰富和形象的信息。光学遥感可以克服传统考古在地面获取信息受人的视野和视角影响、所获取信息不够全面的弊端。在诸如史前巨石阵遗址、埃及的金字塔、柬埔寨吴哥古城、珠江口明代沉船、“古灵渠”、扬州城址变迁、雷峰塔遗址、《水经注》中新疆罗布泊地区的“注宾城”、良渚古城附近的水利堤坝等都使用了遥感技术。
图为浙江大学科研人员利用无人机载摄像系统对靖边统万城遗址进行航拍
在不可移动文物领域，中科院上海光机所自主研发的基于分布式光纤声波传感的全天候盗掘立体监测技术，利用光纤瑞利散射对光纤沿线扰动进行实时检测，在三星堆新发掘祭祀坑遗址周界安防中发挥非凡作用，具有灵敏度高、监测距离长、定位精度高等技术优势和无需户外供电、布设方便、隐蔽性强等工程优势。
针对如莫高窟壁画等不可移动的珍贵文化遗产，只能采用原位无损分析方式进行科学研究，应敦煌研究院邀请，上海光机所科技考古中心将可移动拉曼光谱仪、X射线荧光光谱仪带至世界文化遗产——敦煌莫高窟465窟，对主室东壁、北壁和南壁的壁画开展科学分析，获取了壁画颜料的物相组成和主要化学成分，成功识别出壁画中的朱砂、炭黑、铁红、铅红、石绿、雄黄、石膏、金等多种矿物颜料。
图为光纤激光共焦拉曼光谱仪原位无损分析敦煌莫高窟465窟现场
在可移动文物科学分析方面，光学技术应用更为广泛，除上述技术同样适用可移动文物外，还有如上海光机所科技考古中心利用便携式XRF、拉曼光谱和红外光谱（IR）仪及数码显微镜，对隋萧后和唐李倕公主冠饰，隋炀帝十三环蹀躞金玉带，海昏侯墓出土琥珀、宝石和马蹄金，江都王陵出土世界唯一的成套铅钡玻璃编磬和“长毋相忘”银带钩，唐代皇家寺院法门寺地宫出土伊斯兰玻璃器和金器，良渚文化、凌家滩文化、石家河文化玉器，清凉寺汝窑汝瓷、钧台窑钧瓷，岭南经海上丝绸之路传入的域外风格海蓝宝石和石榴子石等诸多重要文物（反正就是很重要的文物就对了），通过获取主量和微量元素、物相组成、包裹体组合、钻孔特征、雕刻微痕、显微形貌等信息，为材质种类、成分体系、制作工艺、产地来源以及中外文化与交流判定提供了科学依据，大大拓宽了传统考古的深度和广度。
图为便携式XRF无损分析法门寺地宫出土伊斯兰玻璃器和存放佛骨舍利的金宝函
多光谱和高光谱技术，通过获取文物在不同光源下的反射信号，并进行数据处理，在研究壁画、唐卡和油画的绘画工艺、底稿、渲染层次、颜料识别、真伪判定、病害特征、虚拟修复等领域取得了很好的效果。此外，激光全息摄影成像也可以诊断壁画、石窟等不可移动文物的表面病害特征。
不过，便携式分析设备在现场快速分析方面具有灵活方面的优势，但在分析精度、准确度和测试范围方面则存在不足。而实验室中大型分析设备如外束质子激发X射线荧光（PIXE）、带能谱的扫描电子显微镜（SEM-EDS）、大样品腔能量色散X射线荧光光谱仪（EDXRF）等，可以更加准确地对文物进行定量分析，进而判定青铜器合金比例、风化腐蚀产物、金银器纯度、鎏金工艺、陶瓷配方、青花钴料来源等。激光剥蚀电感耦合等离子发射光谱仪（LA-ICP-AES）、电感耦合等离子发射光谱分析（ICP-AES）、激光剥蚀等离子体质谱分析(LA-ICP-MS)、原子吸收光谱（AAS）等光学与光谱学技术，甚至还可以获取被测文物中具有地域指示意义的“指纹元素”，为破译其“出生地”密码提供科学依据。共焦显微拉曼光谱仪和微区X射线衍射仪（XRD）则可以识别宝玉石中的标型矿物、玻璃器中乳浊剂晶体、瓷釉中的析晶，结合光学相干层析成像（OCT）和同步辐射微型计算机断层扫描成像技术（SR-μCT）断层结构分析，以及同步辐射X 射线吸收精细结构（XAFS）分析过渡金属元素价态分析，可以探讨宝玉石、玻璃及名瓷的呈色机理和制作工艺，揭示古代的工匠精神。以非介入或非接触式的工作方式对文物内部结构进行成像，OCT技术近年来在壁画、油画、陶瓷、宝玉石等文化遗产的科学研究与保护领域应用广泛，该技术能提供二维和三维层位信息，并通过图像处理，提取文物的纹理特征参数，将图像信息转化为量化数据，从而进行横向和纵向对比以及文物鉴定等研究。
图为共焦显微激光拉曼光谱仪分析古代玻璃和玉器
图为大腔体μ-EDXRF仪分析战国早期域外进口钠钙玻璃珠
图为上海光源XAFS站照片（汪丽华供图）
图为OCT系统实物图
基于相位辅助主动三维成像技术和新型达曼光栅三维轮廓测量技术，可以实现对物体几何模型重构与测量、纹理信息提取，在陶瓷、青铜器和玉器乃至石窟寺、古建筑等文物的数字化信息提取，三维建模、几何特征非接触测量，以及数字化展陈、UV展开和虚拟修复等方面具有突出优势和广阔的应用前景。此外，反射变换成像的二维增强和三维重建技术及双光子复合探测恢复待测物体空间信息的鬼成像技术在文化遗产数字化信息获取方面也具有较大的潜力。
图为在合浦汉代文化博物馆开展玻璃器与青铜器3D扫描分析基于虚拟与增强现实技术将所获取文物的数字化信息，通过计算机技术生成三维古代环境、城市、考古遗址、发掘现场和出土文物等场景，甚至可以配合相关的声音乃至气味等信息，给人提以逼真的视觉、听觉、触觉乃至味觉等虚拟的三维感观世界体验。可以不受时间和空间的局限，非常直观地感知千里之外的考古现场，领略考古学家所“复原”的古代社会面貌，同时也减轻重要考古现场的观众参观压力，保护脆弱的文化遗产。
三星堆遗址挖掘至今，不过冰山一角。随着光学技术的不断发展，相信会有更多更先进的技术运用到发掘人类文明的博大精深中去，完成这一场场穿越千年的对话。
夏天来啦，三星堆再上新！青铜面具“青铜味”和“出土味”，你Pick哪一款？
中科院上海光机所科技考古中心
中科院上海光机所科技考古中心成立于2008年，是在中国科学院院士干福熹研究员的倡导下建立。目前，研究中心主要从事古代硅酸盐质文物（古代玻璃、玉器、陶瓷、颜料）的科技考古工作，特别是古代玻璃科技史的研究、古代硅酸盐质文物的科学认知和现代光学技术在文物中的应用研究。研究先后受到了国家自然科学基金项目、中国科学院知识创新工程项目、973项目课题、国家科技支撑计划、国家重点研发研发计划重点专项、国家文物局指南针计划、上海研发平台专项项目等支持。
编辑 | 吕璇
激光评论
中国激光杂志社激光领域官方公众号，关注激光物理、技术及应用的最新进展，有报道，有评论。
125篇原创内容
公众号
