Основные характеристики лазерного излучения

Лазерное излучение является электромагнитным излучением с длиной волны 0,2…1000 мкм. Этот диапазон может быть разбит в соответствии с био­логическим действием Яна ряд областей спектра:

1-й диапазон от 180 нм до 380 нм - ультрафиолетовая область;

2-й диапазон от 380 до 1400 нм - видимая и ближняя инфракрасная области;

3-диапазон от 1400 до 10⁵ нм - дальняя инфракрасная область.

С энергетической точки зрения лазерное излучение характеризуется следую­щими параметрами:

энергетической облученностью (освещенностью), определяемой как от­ношение потока излучения, падающего на рассматриваемый малый участок по­верхности, к площади этой поверхности, Вт/см² ;

энергетической экспозицией, определяемой как отношение энергии излу­чения, падающей на рассматриваемый участок поверхности, к площади этой поверхности, Дж/см². Энергетическую экспозицию можно определять также как произведение энергетической освещенности Вт/см² на длительность облучения с.

Лазерное излучение на основании физических представлений, приведен­ных в предыдущем параграфе, обладает высокой монохроматичностью и когерентностью, а также малой расходимостью луча. Это позволяет получать ис­ключительно высокие уровни концентрации энергии в лазерном луче: плот­ность энергии до 10¹² Дж/см² и плотность мощности до 10²² Вт/см².

По виду излучения лазерное излучение делится:

а) на коллимированное (прямое) излучение - лазерное излучение, заклю­ченное в ограниченном телесном угле;

б) зеркально отраженное излучение - лазерное излучение, отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения;

в) рассеянное излучение - лазерное излучение, рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит излучение;

г) диффузно отраженное излучение - лазерное излучение, отраженное от поверхности по всевозможным направлениям в пределах полусферы.

Лазер может работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном. Непрерывным лазерным излучением является излучение, существующее в лю­бой момент времени наблюдения, а импульсным - излучение, существующее в ограниченном интервале времени, меньшим времени наблюдения.

Лазерное излучение сопровождается мощным электромагнитным полем. Например, при распространении лазерного луча с энергетической облученно­стью 3 • 10⁹ Вт/см² в воздухе образуется электрическое поле напряженно­стью Е = 10⁸ В/м. Поэтому, в облучаемом лазерным лучом веществе возможны проявления как чисто электрических, так и химических эффектов, приводящих к ослаблению связей между молекулами, их поляризации, вплоть до ионизации молекул облучаемого вещества. Таким образом, лазерное излучение представ­ляет безусловную опасность для человека.

Воздействие лазерного излучения на человека

При эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может подвергаться воздействию большого числа опасных и вредных факторов. Все эти факторы подразделяются на основные и сопутствующие. К основным от­носятся собственно монохроматическое когерентное лазерное и паразитное из­лучения (отраженное и рассеянное). К сопутствующим - факторы, Которые возникают на лазерных участках при эксплуатации лазеров и другого оборудо­вания, такие как шум, вибрации, электромагнитные и ионизирующие излуче­ния, наличие высоких напряжений и вредных веществ. Под влиянием этих факторов может происходить нарушение жизнедеятельности как отдельных органов, так и всего организма в целом.

При воздействии излучения на сложные биологические структуры разли­чают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии происходят элементарные взаимодействия излучения с веществом. Характер взаимодействий зависит от анатомических, оптикофизических и функциональных особенностей облучаемой ткани, а также от энерге­тических и пространственных характеристик излучения, наиболее важное зна­чение из которых имеют длина волны и интенсивность излучения. На этом этапе наблюдаются такие физические процессы, как нагревание вещества, фа­зовые переходы в материале клетки, преобразование энергии излучения в энергию механических колебаний, ионизация атомов и молекул и пр. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой ме­ханизм действия, следствием которого является коагуляция (свертывание) белка, а при больших мощностях - испарение биоткани. В импульсном режиме с длительностью импульсов меньше 10^-2с механизм воздействия лазерного из­лучения с веществом становится более сложным и связан с преобразованием энергии излучения в энергию механических колебаний среды. При мощности излучения в импульсе более. 10⁷ Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

Появление ударной волны обусловлено возникновением градиентов дав­ления внутри облучаемой системы за счет объемного расширения, вызванного кратковременным, локальным нагревом ткани, а также импульсом отдачи при испарении биоткани с поверхности. Тепловое расширение может возникать и во внутренней зоне облучаемой ткани. При высокой интенсивности потока ла­зерного излучения возникает ударная волна такой силы, что повреждаются внутренние органы. Например, облучение поверхности грудной клетки, брюш­ной стенки или Головы вызывает повреждение печени, кишечника, а также внутримозговые кровоизлияния и контузионные изменения.

На второй стадии из ионов и возбужденных молекул образуются свобод­ные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии свободные радикалы вступают в реакцию с молекула­ми веществ, входящих в состав живой ткани, при этом возникают те молеку­лярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воз­действия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом.

Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для органов зрения. Практически на всех длинах волн внутрь глаза свободно проникает ла­зерное излучение. Лучи света, прежде чем достигнуть сетчатки глаза, проходят через несколько преломляющих сред: роговую оболочку, хрусталик и, нако­нец, стекловидное тело. При рассмотрении воздействия лазерного излучения на орган зрения необходимо отдельно разбирать действие излучения в интер­вале длин волн 0,4-1,4 мкм и вне этого интервала, где оптические среды глаза являются непрозрачными, и фокусирующее действие отсутствует.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения приводит в основном к поражению роговицы, поскольку минимальная величина энергии, необходимая для возникновения нежелательных химических реакций в хруста­лике, в 2-3 раза выше.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4-1,4 мкм критическим эле­ментом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительно­стью к электромагнитным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой, ин­фракрасной и ближней ультрафиолетовой областей. Длительное облучение сет­чатки в видимом диапазоне на уровнях, не намного меньших порога ожога, может вызывать в ней необратимые изменения. Длительное облучение глаза в диапазоне близкого инфракрасного излучения может привести к помутнению хрусталика. Поглощение энергии излучения различными элементами глаза растет с увеличением длины излучения в ближней инфракрасной области. Из­лучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры. При умеренных по­вреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться. Небольшие ожоги радужной оболочки могут закончиться самозаживлением. Тяжелые ожо­ги приводят к деформации радужной оболочки с потерей остроты зрения.

Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может по­вредить роговицу, вплоть до полной потери ею прозрачности. Главный меха­низм воздействия инфракрасного излучения - тепловой. Таким образом, лазер­ное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры глаза. Пер­вой линией защиты организма от повреждения лазерным излучением является кожа, которая представляет собой важный физиологически активный орган, обширные повреждения которого могут привести к гибели организма. Степень повреждения кожи зависит от поглощённой энергии, а сами повреждения мо­гут быть различными: от легкого покраснения (эритемы) до обугливания. Ми­нимальное повреждение кожи образуется при воздействии Лазерного излучения с энергетической экспозицией 0,1-1 Дж/см² (в зависимости от степени пиг­ментации кожи и длительности воздействия). Наибольшее биологическое воз­действие на кожу оказывает лазерное излучение с длинами волн 0,28-0,32 мкм.

Лазерное излучение дальней инфракрасной области спектра способно проникать через ткани тела и взаимодействовать с биологическими структура­ми на значительной глубине, поражая внутренние органы. Наибольшую опас­ность для внутренних органов представляет сфокусированное лазерное излучение. Степень повреждения в значительной степени определяется интенсив­ностью потока излучения и цветом окраски органа. Печень является одним из наиболее уязвимых органов.

Неблагоприятное воздействие оказывает излучение в целом на организм работающих на лазерных установках. Наблюдающиеся патологические изме­нения проявляются в виде функциональных расстройств центральной нервной системы, нарушения сердечно-сосудистой регуляции, что проявляется в неус­тойчивости артериального давления, замедлении пульса, повышенной потливо­сти. У операторов лазерных установок иногда наблюдают повышенную раз­дражительность, утомляемость глаз и всего организма. Все это свидетельствует о том, что у них возникают изменения как патологического характера, обу­словленные тепловым действием излучения, так и функционального, обуслов­ленные скрытыми биологическими эффектами.

Классификация лазеров по степени опасности

Определение класса лазера основано на учете его выходной энергии (мощности) и предельно допустимых уровней при однократном воздействии генерируемого излучения. Под однократным воздействием лазерного излучения понимается случайное воздействие ,с длительностью, не превышающей 3 • 10⁴ с.

По степени опасности лазеры, согласно «Санитарным нормам и правилам устройства и эксплуатаций лазеров» № 5804-91, подразделяются на четыре класса:

1-й класс - выходное коллимированное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

2-й класс- выходное излучение представляет опасность при облучении глаз иди кожи коллимированным пучком (опасность при облучении кожи существует только в 1 и Ш спектральных диапазонах);

3-й класс - выходное излучение представляет опасность при облучении глаз коллимированным, а также диффузию отраженным излучением на рас­стоянии, 10 см от отражающей поверхности, и (или) при облучения кожи коллимированным излучением; этот класс распространяется только на лазеры, генерирующие излучение в спектральном диапазоне П;

Таблица 1

Длина волны, Нм	Класс опасности	Мощность лазерного излучения, Вт
180-380	1	*Р(t)<Епду(t) • Sn
	2	*Р(t)< π • 10-2 Епду(t)
	4	*Р(t)> π • 10-2 Епду(t)
1400-105	1	*Р(t)<Епду(t) • Sn
	2	*Р(t)< π • 10-2 Епду(t)
	4	*Р(t)> π • 10-2 Епду(t)
380-750	1	**Р(t)> Pпду(t) если d<7 мм и **Р(t) < d2 /49 Pпду(t), если d > 7 мм
	2	**Р(t) <8 • 102 Рпду(t)
	3	*`Р(t) < π • 104 Рпду(t)
	4	*`Р(t) > π • 104 Рпду(t)
750-1400	1	*Р(t)> Pпду(t) если d<7 мм и *Р(t) < d2 /49 Pпду(t), если d > 7 мм
	2	**Р(t) <8 • 102 Рпду(t)
	3	*`Р(t) < π • 104 Рпду(t)
	4	*`Р(t) > π • 104 Рпду(t)

Примечания к таблице 1: Епду(t) - предельно допустимое значение облученности Вт/м². Под предельно допустимым уровнем (ПДУ) лазерного излучения при одно­кратном воздействии понимается уровень излучения, при воздействий которого суще­ствует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в ор­ганизме работающего. ПДУ лазерного излучения при хроническом воздействии (сис­тематически повторяющееся воздействие, которому подвергаются люди профессио­нально связанные с лазерным излучением) - уровень излучения, воздействие которого при работе установленной продолжительности в течение всего трудового стажа не приводит к травме, заболеванию или отклонению в состоянии здоровья работающего в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поко­лений ;

Pпду(t) - предельно допустимый уровень мощности (Вт);

Sn - площадь поперечного пучка лазерного излучения (м²);

d- диаметр кучка лазерного излучения (м);

* - длительность воздействия непрерывного лазерного излучения в диапазонах от 180 до 380 нм и свыше 750 ям принимается равной 10 с (наиболее вероятное время пре­бывания человека в полной неподвижности);

** - длительность воздействия непрерывного лазерного излучения в диапазонах от 380 до 750 нм принимается равной 0,25 с (время мигательного рефлекса);

4-й класс — выходное излучение представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Классификация лазеров проводится по выходным характеристикам излу­чения расчетным методом в соответствии с таблице 1 (приведены расчетные со­отношения для непрерывного лазерного излучения).

Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются энергетиче­ская экспозиция Н и облученность Е при однократном и хроническом облуче­нии усредненные по ограничивающей апертуре (отверстие в защитном кожухе лазера, через которое испускается лазерное излучение) .

Для определения предельно допустимых уровней Нпду и Епду при воз­действии лазерного излучения на кожу усреднение производится по ограничи­вающей апертуре диаметром 1,1 • 10^-3 м (площадь апертуры S = 10^-6 м²).

Для определения предельно допустимых уровней Нпду и Епду при воз­действии на глаза лазерного, излучения в диапазонах 1-м и 3-м усреднение производится по апертуре диаметром 1,1 • 10^-3 м, а в диапазоне 2-м - по апер­туре диаметром 7 • 10^-3 м.

Наряду с энергетической экспозицией и облученностью нормируемыми параметрами являются также энергия МУ и мощность Р излучения, прошедшего указанные ограничивающие апертуры. Указанные выше энергетические пара­метры связаны соотношениями:

Нпду=Wпду/S; Епду= Рпду/S; (1)

Для определения предельно допустимых уровней энергии Wпду, мощности Pпду или экспозиции Нпду, а также облученности Eпду при воздействии на гла­за коллимированного лазерного излучения (прямого и зеркально отраженного пучка) в диапазоне от 380 до 1400 нм при однократном облучении глаз необ­ходимо воспользоваться данными и соотношениями, приведенными в таблицах 2 для Wпду и 3 - для Pпду.

Таблица 2

Длина волны λ, нм	Длительность Облучения t, с	Wпду, Дж
380-600 600-750 750-1000 1000-1400	t 2,3 • 10-11 2,3 • 10-11 - 5,0 •10-5 5,0 • 10-5-1,0	8•10-3 5,9•10-5
	t 6,5 • 10-11 6,5 • 10-11 - 5,0 •10-5 5,0-10-5-1,0	1,6 -10-7 1,2 • 10-4
	t 2,5 • 10-10 2,3 • 10-10 - 5,0 •10-5 5,0-10-5-1,0	4,0 •10-7 3,0•10-4
	t 10-9 10-9 - 5,0 •10-5 5,0-10-5-1,0	10-6 7,43 • 10-4

Примечания к таблице 2: Длительность воздействия меньше 1с. Ограничивающая апертура 7-10^-3 м.

Для определения предельно допустимых значений Wпду и Pпду колли-мированного или рассеянного лазерного излучения при хроническом воздейст­вии на глаза необходимо уменьшить в 10 раз соответствующие предельные значения для однократного воздействия.

Если источником неколлимированного (рассеянного или диффузно отра­женного) излучения является протяженный объект, то предельно допустимые значения энергии Wпду и мощности Pпду зависят от видимого углового разме­ра α этого источника.

Значения Wпду и Pпду в этом случае находят умножением значения для коллимированного излучения на поправочный коэффициент В:

W^αпду=B •Wпду P^αпду=B •Pпду

Таблица 3

Длина волны λ, нм	Длительность Облучения t, с	Pпду, Вт
380-500 500-600 600-700 700-750 750-1000 1000-1400	1,0 - 5,0 • 102 5,0 • 102 - 104 t 104	6,9 • 10-5 / 3,7 • 10-3/ t 3,7 • 10-7
	1,0 - 2,2 • 103 2,2 • 103 - 104 t 104	5,9 • 10-5 / 10-2/ t 10-6
	1,0 - 2,2 • 103 2,2 • 103 - 104 t 104	1,2 • 10-4 / 2,0 • 10-2/ t 2,0 • 10-6
	1,0 – 104 t 104 1,0 – 104 t 104 1,0 – 104 t 104	1,2 • 10-4 / 5,5 • 10-6 3,0 • 10-4 / 1,4 • 10-5 7,4 • 10-4 / 3,5 • 10-5

Примечания к таблице 3: Длительность воздействия больше 1 с. Ограничивающая апертура 7-10^-3 м.

Значения В определяются по формулам;

В = В1 • α² + 1 (α > αпред), В ⁼ 1 (α > αпред),

где В1 - вспомогательный коэффициент, зависящий от длительности облучения

Значения αпред и аналитические соотношения для расчета величины В приведены в таблице 4:

При определении класса опасности лазера в ряде случаев необходимо найти предельно допустимые значения характеристик лазерного излучения для кожи. Соотношения для определения значений Нпду и Епду, а также Wпду и Рпду при однократном воздействии на кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения для различных длительностей облучения приведены в таблице 5.

Если α > αпред, то величина В принимается равной 1.

Таблица 4

Длительность облучения t, с	Поправочный Коэффициент, В	Предельный угол αпред, рад
t 10-9	103 • α2 - 1	10-2
10-9 - 10-7	2,8 • 103 • α2 - 1	6,0 • 10-3
10-7 - 10-5	8,2 • 103 • α2 - 1	3,5 • 10-3
10-5 - 10-4	2,5 • 103 • α2 - 1	2,0 • 10-3
10-4 - 10-2	8,2 • 103 • α2 - 1	3,5 • 10-3
10-2 - 1	2,8 • 103 • α2 - 1	6,0 • 10-2
1	103 • α2 - 1	10-2

Таблица 5

Длина волны λ, нм	Длительность Облучения t , с	Нпду.Дж • м2; Епду, Вт • м-2;
380-500	10-10 - 10-1 10-1 - 1 1 - 102 t > 102	Нпду = 2,5 • 103 • Нпду = 5,0 • 103 • Нпду = 5,0 • 103 / Eпду = 5,0 • 102
500-900	10-10 - 3 3 - 102 t > 102	Нпду = 7,0 • 103 • Нпду = 5,0 • 103 / Нпду = 5,0 • 102
900-1400	10-10 - 1 1 - 102 t > 102	Нпду = 2,0 • 104 • Eпду = 2,0 • 104 / Eпду = 5,0 • 102

Примечание. Диапазон излучения 380-1400 нм. Ограничивающая апертура 1,1 • 10^-3 м.