Лазерное излучение: сферы применения, влияние на организм. Лазерное излучение

Оптические квантовые генераторы (ОКГ, лазеры) - приборы, представляющие собой источник светового излучения совершенно нового типа. В отличие от луча любого известного источника света, несущего в себе электромагнитные волны различной длины, лазерный луч монохроматичен (электромагнитные волны строго одной длины), отличается высокой временной и пространственной когерентностью (все волны генерируются одновременно в одной фазе), узкой направленностью, что обусловливает точную фокусировку в малом объеме. Поэтому плотность мощности лазерного излучения в импульсе может быть огромна.

Имеются различного типа лазеры: твердотельные, где излучателем является твердое тело - рубин, неодим и др., газовые лазеры (гелий-неоновые, аргоновые и др.), жидкостные и полупроводниковые. Лазеры могут работать в непрерывном и импульсном режиме.

Излучение ОКГ характеризуется следующими основными параметрами: длина волны (мкм), мощность (Вт), плотность потока мощности (Вт/см2), энергия излучения (Дж) и угловая расходимость луча (угл. мин).

Сфера применения ОКГ очень широка: в различных областях народного хозяйства, в технике связи (позволяет передавать большое количество информации), в микроэлектронной, часовой промышленности, при сварке, пайке и др., в научных исследованиях, в освоении космоса.

Уникальность лазерного луча - получение большой мощности излучения на очень маленькой площади, полная стерильность - позволяет применять его в хирургии для коагуляции тканей при операциях на сетчатке, в качестве нового исследовательского инструмента в экспериментальной биологии, в цитологии (луч может достигать отдельных органоидов, не повреждая всю клетку), и др.

Все большее число лиц вовлекается в сферу действия лазеров; таким образом, этот вид излучения приобретает значение очень серьезного профессионально-гигиенического фактора.

В производственных условиях наибольшую опасность представляет не прямой световой луч, действие которого возможно только при грубом нарушении правил техники безопасности, а диффузное отражение и рассеяние луча (при визуальном контроле за попаданием луча на мишень, при наблюдении за приборами вблизи хода луча, при отражении от стен и других поверхностей). В особенности опасны зеркально отражающие поверхности. Хотя интенсивность отраженного луча невелика, однако возможно превышение безопасных для глаз уровней энергии. В лабораториях, где работают с импульсными ОКГ, имеются дополнительные неблагоприятные факторы: постоянный (80-00 дБ) и импульсный (до 120 дБ и более) шум, слепящий свет ламп накачки, утомление зрительного анализатора, нервно-эмоциональное напряжение, газовые примеси в воздушной среде - озон, окислы азота; ультрафиолетовое излучение и т. д.

Биологическое действие лазеров

Биологическое действие лазеров обусловлено двумя основными критериями: 1) физической характеристикой лазера (длина волны излучения лазера, непрерывный или импульсный режим облучения, длительность импульса, скорость повторения импульсов, удельная мощность), 2) абсорбционной характеристикой тканей. Свойства самой биологической структуры (поглощающая, отражающая способность) влияют на эффекты биологического действия лазера.

Действие лазера многогранно - электрическое, фотохимическое; основное действие - тепловое. Наиболее опасны лазеры с большой энергией в импульсе.

Прямой световой монохроматический импульс вызывает в здоровой ткани локальный ожог - коагуляцию белков, местный некроз, резко отграниченный от смежной области, асептическое воспаление с последующим развитием соединительнотканного рубца. При интенсивном облучении - расстройства васкуляризации, кровоизлияния в паренхиматозных органах. При повторных облучениях патологический эффект возрастает. Наиболее чувствительны глаз (роговица и хрусталик фокусируют излучение на сетчатке) и кожа, в особенности пигментированная.

Клиника

При прямом попадании лазерного луча в глаз - ожог сетчатки, разрывы ее. Могут быть поражены роговица, радужная оболочка, хрусталик, кожа век. Поражение, как правило, носит необратимый характер.

Для глаз опасно не только прямое, но и рассеянное отраженное излучение от какой-либо поверхности. При длительном воздействии последнего наиболее часто обнаруживаются игольчатые, стреловидные, реже - точечные помутнения хрусталика. На сетчатке - светлые, желтовато-белые, депигментированные очаги. При исследовании функционального состояния зрительного анализатора определяются снижение световой и контрастной чувствительности, увеличение времени восстановления адаптации, изменения световой чувствительности. Характерны жалобы на боли и давление в глазных яблоках, резь в глазах, утомленно глаз к концу рабочего дня, головные боли.

Помимо поражения органа зрения, при работе с ОКГ развивается комплекс неспецифических реакций со стороны различных органов и систем.

Клиника общих нарушений складывается из вегетативной дисфункции с присоединением невротических реакций на астеническом фоне. По мере увеличения профессионального стажа нарастает частота нейроциркуляторной дистонии по гипотоническому или гипертоническому вариантам в зависимости от характера лазерного излучения (непрерывный, импульсный), а также степень невротизации.

Наблюдаются также нарушения функции вестибулярного аппарата как в сторону повышения, так и понижения его возбудимости. Частота этих нарушений тоже возрастает по мере увеличения профессионального стажа.

Из биохимических показателей характерны: повышение уровня аммиака в крови, увеличение активности щелочной фосфатазы и трансфераз, изменение экскреции катехоламинов.

В эксперименте на животных при действии небольших интенсивностей энергии отмечаются изменения мозгового кровотока, сопряженные с изменением системной гемодинамики. Установлено действие лазерной энергии на гипоталамо-гипофизарную систему.

Экспертиза трудоспособности

При развитии функциональных нарушении центральной нервной системы, сердечно-сосудистого аппарата рекомендуются лечение и временный перевод на другую работу; возвращение на работу при улучшении состояния (под врачебным наблюдением) и при условии улучшения условий труда. Поражение глаз является противопоказанием к дальнейшей работе с лазером.

Профилактика

Рациональная организация условий труда лаборатории. Размещение лазера в изолированном помещении. Система сигнализации, обеспечивающая безопасность во время работы лазера. Избегать применения отражающих поверхностей. Пучок лазера должен быть направлен на неотражающий и невоспламеняющийся фон. Окраска стен матовая - в светлых тонах. Экранировка луча (в особенности мощного ОКГ) на протяжении от излучателя до объектива. Категорически запрещается пребывание людей в опасной зоне излучения ОКГ при работе лазера. Запрещается нахождение в лаборатории лиц, не занятых обслуживанием лазера. Эффективная вентиляция. Общее и местное освещение. Строгое соблюдение требований электробезопасности, мер индивидуальной защиты. Применение специально сконструированных защитных очков (для каждой длины волны свой отеческий фильтр). Работа в условиях общего яркого освещения с целью сужения зрачка. При работе с высокими энергиями избегать контакта любой части тела с прямым лучом, рекомендуется ношение черных фетровых или кожаных перчаток. Строгий офтальмологический контроль. Предварительные и периодические медицинские осмотры.

Лекция 8

«Лазер» - аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation- усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Лазер (оптический квантовый генератор) - генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение, которое формируется в (лазерах ) с длиной волны 0,2-1000мкм: 0,2…0,4 мкм - ультрафиолетовая, 0,4…0,75 мкм - видимого света, ближнего инфракрасного 0,75…1,4 мкм, инфракрасного 1,4…10 2 мкм.

Отличительная особенность лазерных излучений является: монохромность излучения (строго одной длины волны); когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе); острая направленность луча (малое расхождение).

Лазерное излучение различают по виду излучения на

- прямое (заключенное в ограниченном телесном угле)

- рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч)

- зеркально-отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения)

- диффузно-отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям)

Как техническое устройство лазер состоит из трех основных элементов:

- активной среды

- резонатора

- системы накачки.

В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные (на кристаллах или стеклах); газовые (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO 2 и др.); жидкостные; полупроводниковые и др.

В качестве резонатора обычно используются параллельные зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда.

Накачка , т.е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света или электрическим разрядом.

Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия.

Классификацию лазеров можно представить в следующем виде (рис):

По степени опасности генерируемого излучения классифицируются лазеры согласноГОСТ 12.1.041-83 (1996):

Класс 1 (безопасные) - выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

Класс II (малоопасные ) - выходное излучение опасно при облучении глаз прямым или зеркальныо-отраженным излучением;

Класс III (среднеопасные ) – опасно для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно-отраженное излучение;

Класс IV (высокоопасные ) – опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отраженной поверхности.

Классификацию лазеров по степени опасности осуществляют на основе временны́х, энергетических и геометрических (точечный или протяженный источник) характеристик источника излучения и предельно допустимых уровней лазерного излучения.

Технические характеристики лазера : длина волны, мкм; ширина линии излучения; интенсивность излучения (определяется по величине энергии или мощности выходного пучка и выражаемая в Дж или Вт); длительность импульса,с; частота повторения импульсов,Гц.

Лазеры получили широкое применение в научных целях, в практической медицине, а также в различных областях техники. Области применения лазера определяются энергией используемого лазерного излучения:

Биологическое действие лазерного излучения зависит от энергии излучения Е , энергии импульса Е и, плотности мощности (энергии) W p (W e), времени облучения t , длины волны l, длительности импульса t, частоты повторения импульсов f , потока излучения Ф , поверхностной плотности излучения Е э, интенсивности излучения I .

Характеризуемый объект	Показатель	Обозначение	Единица измерения
Пучок лазерного излучения	Энергия лазерного излучения	Е	Дж
Энергия импульса лазерного излучения	Е и	Дж
Мощность лазерного излучения	Р	Вт
Плотность энергии (мощности) лазерного излучения	W e , W p	Дж/см 2 (Вт/см 2)
Поле излучения	Поток излучения	Ф, F, Р	Вт
Поверхностная плотность потока излучения	Е э	Вт/м 2
Интенсивность излучения	I, S	Вт/м 2
Источник излучения	Излучательная способность	R э	Вт/м 2
Энергетическая сила излучения	I э	Вт/ср
Энергетическая яркость	L e	Вт/м 2 ·ср
Приемник излучения	Облученность (энергетическая освещенность)	E e	Вт/м 2
Энергетическое количество освещения	H e	Дж/м 2

Под воздействием лазерного излучения нарушается жизнедеятельность, как отдельных органов, так и организма в целом. В настоящее время установлено специфическое действие лазерных излучений на биологические объекты, отличающееся от действия других опасных производственных физических и химических факторов. При воздействии лазерного излучения на сплошную биологическую структуру (например, на организм человека) различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии (физической) происходят взаимодействия излучения с веществом, характер которых зависит от анатомических, оптико-физических и функциональных особенностей тканей, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения и, прежде всего, от длины волны и интенсивности излучения. На этой стадии происходит нагревание вещества, переход энергии электромагнитного излучения в механические колебания, ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, в результате которого происходит свертывание белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. При импульсном режиме (с длительностью импульсов <10 -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

На второй стадии (физико-химической ) из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии (химической ) свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, и при этом возникают молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом. Схематически основные факторы, определяющие биологическое действие лазерного излучения, можно представить следующим образом:

Лазерное излучение представляет опасность главным образом для тканей, которые непосредственно поглощают излучение, поэтому с позиций потенциальной опасности воздействия и возможности защиты от лазерного излучения рассматривают в основном глаза и кожу.

Высокой чувствительностью к электромагнитным излучениям обладают роговица и хрусталик глаза, причем оптическая система глаза способна на несколько порядков увеличивать плотность энергии видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне по отношению к роговице.

Длительное действие лазерного излучения видимого диапазона (не на много меньше ожогового порога) на сетчатку глаза может вызвать необратимые изменения в ней, а в ближнем инфракрасном диапазоне может привести к помутнению хрусталика. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Действие лазерного излучения на кожу в зависимости от первоначальной поглощенной энергии приводит к различным поражениям: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном итоге, образования глубоких дефектов кожи.

Различают 6 видов воздействия ЛИ на живой организм :

1) термическое (тепловое) действие. При фокусировании лазерного излучения выделяется значительное количество теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;

2) энергетическое действие. Определяется большим градиентом электрического поля, обусловленного высокой плотностью мощности. Это действие может вызвать поляризацию молекул, резонансные и другие эффекты.;

3) фотохимическое действие. Проявляется в выцветании ряда красителей;

4) механическое действие. Проявляется в возникновении колебаний типа ультразвуковых в облучаемом организме.

5) электрострикция – деформация молекул в электрическом поле лазерного излучения;

6) образование в пределах клетки микроволнового электромагнитного поля.

Предельно-допустимыми уровнями (ПДУ) облучения приняты энергетические экспозиции. Для ПДУ непрерывного лазерного излучения выбирают энергетическую экспозицию наименьшей величины, не вызывающей первичных и вторичных биологических эффектов (с учетом длины волны и длительности воздействия). Для импульсно-периодического излучения, ПДУ облучения рассчитывают с учетом частоты повторения и воздействия серии импульсов.

При эксплуатации лазеров, помимо лазерного излучения, возникают и другие виды опасностей. Это – выделение вредных химических веществ, шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.

Человека – это промышленность, медицина, научные исследования, мониторинг состояния окружающей среды и др. Лазерное излучение (ЛИ), как и другие виды излучений, оказывают неблагоприятное воздействие на организм человека. Непрерывно излучающие лазеры создают интенсивность порядка $10$ Вт/см кв, а этого вполне достаточно, чтобы расплавить и испарить любой материал. Интенсивность излучения при генерации коротких импульсов достигает иногда больше $10$ Вт/см кв. Чтобы представить себе эту величину, надо отметить, что вблизи поверхности Земли интенсивность солнечного света составляет только $0,1$…$0,2$ Вт/см кв. ЛИ является оптическим когерентным излучением, которое имеет высокую направленность и большую плотность энергии.

Излучение формируется в активной среде, которая является главным элементом лазера и, чтобы она образовалась необходимо:

1. Свет нелазерных источников;
2. Разряд электричества в газах;
3. Химреакции;
4. Бомбардировку электрическим пучком и другие методы.

Оптический резонатор образуют зеркала, между которыми располагается активная среда, она может представлять твердый материал – стекло, пластмассу, рубины – может быть представлена полупроводниками, жидкостью с органическими красителями, газом и др. Лазеры могут быть импульсного и непрерывного действия.

По своим физико-техническим параметрам лазеры классифицируются:

1. Конструктивное исполнение:

   • Стационарные лазеры;
   • Лазеры передвижные;
   • Открытые лазеры;
   • Закрытые лазеры.

2. Мощность излучения:

   • Лазеры сверхмощные;
   • Мощные лазеры;
   • Лазеры средней мощности;
   • Маломощные лазеры.

3. Режим работы:

   • Лазеры непрерывного режима;
   • Импульсные лазеры;
   • Импульсные лазеры с модулированной добротностью.

4. Способ отвода тепла:

   • Лазеры с естественным охлаждением;
   • Лазеры с принудительным охлаждением водой;
   • Лазеры с принудительным охлаждением воздухом;
   • Лазеры с принудительным охлаждением специальными жидкостями.

5. Назначение:

   • Технологические лазеры;
   • Лазеры специальные;
   • Лазеры исследовательские;
   • Лазеры уникальные.

6. Метод накачки:

   • Накачка химическим возбуждением;
   • Накачка пропусканием высокочастотного тока;
   • Пропусканием импульсного тока;
   • Пропусканием постоянного тока;
   • Накачка импульсным светом;
   • Накачка постоянным светом.

7. Длина генерируемой световой волны :

   • Инфракрасные лазеры;
   • Лазеры видимого света;
   • Ультрафиолетовые лазеры;
   • Рентгеновские лазеры;
   • Субмиллиметровые лазеры.

8. По активному элементу:

   • Газодинамические лазеры;
   • Твердотельные лазеры;
   • Полупроводниковые лазеры;
   • Лазеры жидкостные;
   • Лазеры газовые.

Лазерное излучение и организм человека

Все лазеры, исходя из степени их опасности для работающих, делят на 4 класса:

1. Не представляющие для кожи человека и его глаз опасности излучения;
2. Как прямое, так и зеркально отраженное излучение представляет большую опасность для глаз;
3. Все три излучения – прямое, зеркально отраженное и диффузно отраженное – на расстоянии $0,1$ м от отражающей поверхности, представляет опасность. Есть также опасность облучения кожи;
4. Опасность диффузно отраженным излучением на расстоянии $0,1$ м от диффузно отражающей поверхности.

В организме человека лазерное излучение может вызвать патологические изменения, расстройство органов зрения, ЦНС и вегетативной системы. Лазерное излучение оказывает негативное влияние на внутренние органы человека – печень, почки, спинной мозг и др. Возникающие поверхностные ожоги – основной патофизиологический эффект облучения .

Лазеры $II$, $ III$, $IV$ классов в обязательном порядке маркируют знаками лазерной опасности и снабжают сигнальными устройствами на весь период работы. Чтобы излучение не распространилось за пределы обрабатываемых материалов $III$ и $IV$ класс лазеров оснащают специальными экранами. Для их производства используют огнестойкий, неплавящийся, светопоглощающий материал. Управление такими лазерами дистанционное.

Для лазерного излучения установлены предельно допустимые уровни . Определены эти уровни с учетом области спектра отдельно для глаз и кожи. Работающие с лазером должны проходить как предварительный, так и ежегодный медицинский осмотр. Для лазеров $II$…$IV$ классов работники должны использовать индивидуальную защиту глаз, а для $IV$ класса – защитные маски. В зависимости от длины волны излучения стекла защитных очков могут быть бесцветные или оранжевого, сине-зеленого цвета.

Все опасности лазерного излучения делят на первичные – лазерная установка и вторичные – в процессе взаимодействия лазерного излучения и мишени.

1. Первичные факторы вредности:

   • Прямое лазерное излучение;
   • Электрическое напряжение;
   • Световое излучение;
   • Акустический шум;
   • Вибрация вспомогательного оборудования;
   • Газы, загрязняющие воздух, выделяющиеся из узла установки;
   • Рентгеновское излучение при напряжении выше $15$ кВ.

2. Вторичные факторы вредности:

   • Отраженное лазерное излучение;
   • Аэродисперсные системы;
   • Акустические шумы;
   • Излучение плазменного факела.

Нормирование лазерного излучения

К нормированию лазерного излучения существует два научно обоснованных подхода:

1. Первый касается повреждающих эффектов тканей или органов непосредственно в месте облучения;
2. Второй подход касается выявляемых изменений систем и органов, которые не подвергались непосредственному воздействию.

В основе гигиенического нормирования лежат критерии биологического действия.

Исходя из этого, диапазон лазерного излучения разделили на области:

1. Область ультрафиолета – от $0,18$ - $0,38$ мкм;
2. Видимая область – $0,38$ - $0,7$5 мкм;
3. Инфракрасная ближняя область – $0,75$ - $1,4$ мкм;
4. Инфракрасная дальняя область – свыше $1,4$ мкм.

Замечание 2

Обоснование гигиенических нормативов затруднено по той причине, что диапазон длин волн широкий, параметры лазерного излучения и биологические эффекты разнообразны. На экспериментальную и клиническую проверку необходимо время и средства, поэтому для уточнения и разработки предельно допустимых уровней ЛИ используют математическое моделирование.

Математические модели , безусловно, учитывают характер распределения энергии и абсорбционные характеристики облучаемых тканей. При определении и уточнении ПДУ ЛИ использовался метод математического моделирования основных физических процессов. Он вошел в последнюю редакцию санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров – СНиП № 5804-91 .

Разработанные нормы учитывали результаты научных исследований и основных положений документов:

1. СаНиП устройства и эксплуатации лазеров № 2392-8 1;
2. Стандарт МЭК (первое издание, $1984$ г.);
3. Изменения к стандарту Международной электротехнической комиссии ($1987 $г., публикация $825$).

Данные нормы подлежат применению и это засвидетельствовано Письмом Роспотребнадзора от $16$.$05$.$2007$ № 0100/4961-07-32 . Предельно допустимые уровни лазерного излучения устанавливают правила № 5804-91 .

Они же устанавливают требования относительно:

1. Устройств и эксплуатации лазеров;
2. Производственных помещений, размещения оборудования и рабочих мест;
3. Требований к персоналу;
4. Состояния производственной сферы;
5. Применения средств защиты;
6. Медицинского контроля.

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

• Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
• Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
• Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
• Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
• Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

• длина волны или область спектра излучения;
• оптическая плотность при определенной длине волны;
• максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
• тип лазерной системы;
• режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
• возможности отражения - зеркального и диффузного;
• поле зрения;
• наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
• комфорт;
• наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
• влияние на цветовое зрение;
• ударопрочность;
• возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

лазер безопасность излучение защита

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности и энергии излучения на единицу облучаемой поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты следования импульсов, времени облучения, площади облучаемой поверхности), локализации воздействия и анатомо-физиологических особенностей облучаемых объектов.

Лазерное излучение представляет собой вид электромагнитного излучения, генерируемого в оптическом диапазоне длин волн 0,1…1000 мкм. Отличие его от других видов излучения заключается в монохромности, когерентности и высокой степени направленности. Благодаря малой расходимости луча лазера плотность потока мощности может достигать 10 16 …10 17 Вт/м 2 .

Эффекты воздействия (тепловой, фотохимический, ударно - акустический и др.) определяются механизмом взаимодействия лазерного излучения с тканями и зависят от энергетических и временных параметров излучения, а также от биологических и физики - химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Лазерное излучение представляет особую опасность для тканей, максимально поглощающих излучение. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика глаза, а также способность оптической системы глаза многократно увеличивать плотность энергии(мощность) излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона (780<л<1400 нм) на глазном дне по отношению к роговице делают глаз наиболее уязвимым органом.

При повреждении появляется боль в глазах, спазм век, слезотечение, отек век и глазного яблока, помутнение сетчатки, кровоизлияние. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Ультрафиолетовое излучение вызывает фотокератит, средневолновое инфракрасное излучение (1400<л<3000 нм) может вызвать отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК - излучение (3000<л<10 6 нм) - ожог роговицы.

Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любой длинны волны в спектральном диапазоне 180…100000 нм. Характер поражения кожи аналогичен термическим ожогам. Степень тяжести повреждения кожи, а в некоторых случаях и всего организма, зависит от энергии излучения, длительности воздействия, площади поражения, ее локализации, добавления вторичных источников воздействия (горение, тление). Минимальное повреждение кожи развивается при плотности энергии 1000…10000 Дж/м 2 .

Лазерное излучение дальней инфракрасной области (>1400 нм) способно проникать через ткани тела на значительную глубину, поражая внутренние органы (прямое лазерное излучение).

Длительное хроническое действие диффузно отраженного лазерного излучения нетепловой интенсивности может вызывать неспецифические, преимущественно вегетативно - сосудистые нарушения; функциональные сдвиги могут наблюдаться со стороны нервной, сердечно - сосудистой системы, желез внутренней секреции. Работающие жалуются на головные боли, повышенную утомляемость, раздражительность, потливость.

Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм человека, делятся на две группы:

Первичные эффекты - органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых тканях;

Вторичные эффекты - неспецифические изменения, появляющиеся в организме в ответ на облучение.

Наиболее подвержен поражению лазерным излучениям глаз человека. Сфокусированный на сетчатке хрусталиком глаза лазерный луч будет иметь вид малого пятна с еще более плотной концентрацией энергии, чем падающее на глаз излучение. Поэтому попадание лазерного излучения в глаз опасно и может вызвать повреждение сетчатой и сосудистой оболочек с нарушением зрения. При малых плотностях энергии происходит кровоизлияние, а при больших - ожег, разрыв сетчатой оболочки, появление пузырьков глаза в стекловидном теле.

Лазерное излучение может вызвать также повреждение кожи и внутренних органов человека. Повреждение кожи лазерным излучением схоже с термическим ожогом. На степень повреждения влияют как входные характеристики лазеров, так и цвет, и степень пигментации кожи. Интенсивность излучения, которая вызывает повреждение кожи, намного выше интенсивности, приводящей к повреждению глаза.