Безопасность жизнедеятельности основы безопасности при работе с лазерным излучением. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

№ 667

Кафедра безопасности жизнедеятельности

Безопасность

жизнедеятельности

Основы безопасности при работе с лазерным излучением

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно издательским советом университета

Москва Издательский Дом МИСиС 2009

УДК 621.375.826 + 658.345 Б40

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. Л.С. Стрижко

Авторы: А.Н. Веремеевич, О.М. Зиновьева, И.Г. Морозова, А.А. Павлов, Н.А. Смирнова, В.М. Жариков

Безопасность жизнедеятельности: Основы безопасности Б40 при работе с лазерным излучением: Учеб. пособие / А.Н. Вере- меевич, О.М. Зиновьева, И.Г. Морозова и др. – М.: Изд. Дом

МИСиС, 2009. – 55 с.

В учебном пособии рассмотрены меры защиты от некоторых опасных и вредных производственных факторов, характеризующих условия труда рабо- чего персонала технологических лазеров. Приведены основные принципы нормирования воздействия лазерного излучения и классификации лазерных установок по степени опасности генерируемого излучения. Представлены примеры определения предельно допустимых уровней лазерного излучения и классов лазерных изделий.

Соответствует программе курса «Безопасность жизнидеятельности». Учебное пособие предназначено для выполнения раздела «Безопасность

жизнедеятельности» дипломных проектов и работ для студентов, обучаю- щихся по специальности 280100 «Безопасность жизнедеятельности» и 150404 «Металлургические машины и оборудование», а также для студентов и пре- подавателей всех специальностей и кафедр института в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ.

♥Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС), 2009

1.2.Инженерные основы создания технологических лазеров .16

1.2.1.Достоинства лазерной технологии при обработке

3

ВВЕДЕНИЕ

С давних времен человек в своих мечтах видел в световом излу- чении надежного и могучего помощника, свободно проникающего в темницы, способного разрушить любые преграды и защитить от лю- бого врага. Всемирно известны романы «Война миров» Герберта Уэллса и «Гиперболоид инженера Гарина» Алексея Толстого. Прав- да, в этих романах тепловой и световой луч оказывается в руках сил зла; люди же мечтали о луче-труженике, луче-помощнике, луче- созидателе. В середине ХХ века этой мечте суждено было сбыться.

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники ХХ века.

Как заметил академик А.П. Александров, «всякий мальчишка теперь знает слово лазер». И все же, что такое лазер, чем он ин- тересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах – квантовой электроники – академик Н.Г.Басов отвечает на этот вопрос так: «Лазер – это устройство, в котором энергия, напри- мер тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энер- гию электромагнитного поля – лазерный луч. При таком преоб- разовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определя- ется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны

иполучить плотность энергии, превышающую уже на сегодняш- ний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазер- ного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Нако- нец, лазерный луч является самым емким носителем информации

ив этой роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки».

Авсе начиналось с двух работ А. Эйнштейна, опубликованных в 1916 г. Первая называлась «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», а вторая – «К квантовой теории излучения».

А. Эйнштейн показал, что существует два различных процесса испускания энергии молекулами вещества. Наряду с обычным, спон- танным (самопроизвольным) испусканием возможен процесс испус- кания под воздействием излучения окружающей молекулы среды.

4

Эйнштейн назвал этот процесс индуцированным (вынужденным) излучением. Именно этот процесс и лежит в основе работы лазера. Само слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе означает «усиление света вынужденным излучением».

Первое экспериментальное подтверждение возможности усиления света было получено в 30-х гг. советским ученым В.А. Фабрикантом. В 1958 г. В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудынский получи- ли авторское свидетельство на изобретение, а в 1962 г. и диплом на открытие с приоритетом от 1951 г. с формулой открытия: «Ус- тановлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация час- тиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответст- вующих возбужденному состоянию, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии». Таким образом, был доказан факт существования индуцированного излучения. С 1950 по 1960 гг. работы по изучению возможности применения этого явления на практике были развернуты во многих странах мира. За основополагающие работы по квантовой электронике со- ветским физикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому ученому Ч. Таунсу в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Впервые получить лазерный луч удалось американско- му инженеру Г. Мейману в 1960 году; это был рубиновый лазер. В 1961 г. А. Джаваном был создан первый газовый лазер, рабо- тающий на смеси гелия и неона. В 1962 г. появился полупровод- никовый лазер на основе кристалла арсенида галлия. В 1964 г. С. Пател создал первый СО2-лазер. В 1965 г. Дж. Каспер и Дж. Пиментел создали химический лазер. В 1966 г. А.М. Прохоров создал новый тип мощного газового лазера – газодинамического. Та- ким образом, в период с 1962 по 1968 гг. были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявлено большинство областей их воз- можного применения. Когда вспыхнул луч первого в мире рубинового лазера, один из коллег Н.Г. Басова и А.М. Прохорова сказал: «Ну, вот, теперь черный квантовый ящик станет, пожалуй, давать больше, чем в него вкладывают!» Шутка оказалась пророческой. Редко какое другое достижение фундаментальной науки с первых своих шагов опередило столь далеко самые смелые прогнозы.

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ЛАЗЕРА

1.1.Физические основы работы лазера

1.1.1.Принципы работы лазеров

Лазерное излучение – это вынужденное монохроматическое из- лучение широкого диапазона длин волн от единиц нанометров до десятков и сотен микрометров. Наряду с волновой природой элек- тромагнитное излучение во многих случаях проявляет корпуску- лярную природу: оно представляет собой последовательность дискретных порций (квантов) энергии, называемых фотонами. Так, например, в дифракции и интерференции преобладает волно- вая природа света, в других явлениях, обусловленных эффектами поглощения света атомными или молекулярными системами, – квантовая природа света.

Как известно из квантовой электроники, внутренняя энергия ато- мов и молекул может принимать целый ряд фиксированных значе- ний, характерных для данного типа атомов и молекул. Для простоты рассмотрим два уровня энергии – Е0 и Е1. Переход атома с верхнего на нижний уровень сопровождается излучением фотона. Энергия этого фотона равна разности между энергиями атомов в верхнем и нижнем состояниях. Если атомы не испытывают какого- либо внешнего воздействия, то они находятся в таком состоянии, ко- торое можно назвать равновесным, т.е. число атомов в верхнем и нижнем энергетических уровнях не будет изменяться. При этом в соответствии с принципом Больцмана число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии, всегда несколько больше, чем число атомов в верхнем состоянии.

Каждый атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии Е0, может перейти в верхнее энергетическое состояние Е1, поглотив один фотон. И соответственно каждый атом, находящийся в верхнем состоянии Е1, может перейти в нижнее состояние Е0, отдав излиш- нюю энергию в виде такого же фотона.

Для генерации излучения необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Е1 было больше числа атомов на нижнем уровне Е0. В естественных условиях на более высоком уровне при любой тем- пературе всегда находится меньшее число атомов, чем на более низ-

6

ком. Для того чтобы верхний уровень был населен больше, чем ниж- ний, необходимо принять специальные меры. В квантовой электро- нике такое состояние вещества носит название активного состояния с инверсной населенностью.

Создание инверсной населенности активных частиц является ос- новным условием получения лазерного излучения. В качестве актив- ной среды, называемой также рабочим телом лазера, используют различные газовые смеси, твердые тела и жидкости.

В технологических лазерах используют два способа создания ин- версной населенности: оптическая и газоразрядная накачка.

Оптическая накачка рабочего тела осуществляется потоком света от импульсной или непрерывно действующей газоразрядной лампы. Такой метод накачки используется для возбуждения лазеров, в кото- рых рабочее тело является твердым или жидким.

При газоразрядном методе накачки активные частицы рабочего тела подвергаются воздействию электрического разряда. Этот метод применяется в лазерах, рабочим телом которых являются различные газовые смеси.

Оптический квантовый генератор (лазер) является источником из- лучения, возбуждаемого непосредственно в нем. Лазер состоит из двух необходимых компонентов: активной среды (т.е. рабочего тела) и резонатора. Активная среда в соответствии с рассмотренными вы- ше условиями обладает инверсной населенностью. Оптический резо- натор состоит условно из двух зеркал: плоского непрозрачного и па- раллельного ему плоского полупрозрачного.

Для осуществления процесса генерации часть излучаемой энергии должна постоянно оставаться внутри активной среды, для того чтобы вызвать вынужденное излучение новых атомов. Эта задача и решает- ся с помощью зеркал оптического резонатора. Непрозрачное зеркало отражает всю падающую на него энергию, а полупрозрачное пропус- кает только часть энергии, которая и является полезной энергией. Другая часть энергии отражается полупрозрачным зеркалом и слу- жит для вовлечения в генерацию новых порций активной среды.

Оптические резонаторы не только значительно увеличивают ве- роятность индуцированных (вынужденных) процессов, но и опреде- ляют характеристики лазерного излучения.

7

1.1.2. Основные свойства лазерного излучения

Лазерное излучение характеризуется рядом уникальных свойств, которые обеспечивают его научное и промышленное применение. К их числу относятся большая интенсивность электромагнитной энер- гии, высокая монохроматичность, значительная степень временной и пространственной когерентности. Лазер отличается от других источ- ников электромагнитной энергии очень узкой направленностью рас- пространения излучения.

В дальнейшем будем рассматривать преимущественно характери- стики излучения лазеров в диапазоне длин волн 0,4…10,6 мкм, в ко- тором генерируется излучение с достаточно высокими энергетиче- скими параметрами, определяющими эффективное использование лазеров для технологических целей.

Интенсивность излучения

В отличие от всех известных оптических источников, излучение лазеров обладает очень высокой интенсивностью. Мощность твердо- тельного лазера может достигать 1012 Вт (это не рекордная цифра, но довольно высокая). Это излучение можно сфокусировать в малом пятне. Из оптики известно, что минимальный радиус пятна при фо- кусировке пропорционален длине волны, в результате этого плот-

ность лазерного излучения может достигать чрезвычайно высоких значений (порядка 1017 Вт/см–2 и более).

Монохроматичность

Одной из важнейших характеристик лазерного излучения являет- ся монохроматичность, которая характеризует способность лазеров излучать в узком диапазоне длин волн и определяется отношением разброса длин волн, представленных в лазерном луче, к средней дли- не волны. Для некоторой спектральной линии степень монохрома-

тичности

μ = λ⁄λ0 = ω⁄ω0,

где λ – ширина спектра; λ – длина волны; ω0 – частота; ω – ско- рость лазерного излучения.

Это отношение крайне мало и составляет всего 10 –6…10 –8, а спе- циальными мерами может быть уменьшено до 10 –10. Поскольку зна- чительная часть потока излучения приходится на очень узкий спектр излучения и не превосходит сотых долей микрометра, то спектраль-

8

ная плотность мощности лазерного излучения на много порядков превосходит спектральную плотность мощности излучения других известных источников электромагнитной энергии.

Когерентность

Монохроматичность тесно связана с одним из основных свойств лазерного излучения – его когерентностью. Слово «когерентность» означает согласованность. Когерентными называются колебания с одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз. Это легко понять в сопоставлении с обычным полихроматическим излу- чением, которое свойственно нагретым телам. Оно состоит из набора волн с различной частотой, фазы которых хаотично изменяются во времени, и является типичным примером некогерентного излучения. В отличие от этого энергия лазерного излучения генерируется так, что вновь возникающее излучение оказывается в фазе с уже распро- странившимся в пространстве. Такое излучение определяется как когерентное.

Пространственная когерентность обусловливает высокую направ- ленность излучения и возможность фокусирования его на площадки малых размеров, что, как следствие, определяет максимально допус- тимую плотность мощности излучения.

Целесообразность применения лазера в технологии во многом за- висит от возможности транспортировки его излучения на большие расстояния и концентрации энергии пучка на малых площадях. Это зависит прежде всего от его пространственных характеристик: рас- пределения интенсивности в лазерном пучке и его расходимости.

Распределение интенсивности излучения на выходной апертуре лазера определяется типом используемого резонатора и модовым составом возбуждаемых в нем колебаний.

Пространственные диаграммы излучения газовых лазеров опреде- ляются поперечными модами; их представляют в виде символов ТЕМmn (ТЕМ – сокращенно от Trasverse Electromagnetic), где m и n –

малые целые числа, которые показывают число нулей в пространст- венной структуре, возникающей в двух ортогональных направлени- ях, поперечных к направлению распространения луча. Термин «мо- да» можно характеризовать как положение узлов с максимальной плотностью распределения интенсивности. Лазерное излучение по числу узлов поперечной моды подразделяют на четыре основных типа: ТЕМ00 (пучок с гауссовым распределением энергии, или ос-

9

новная мода) для резки и выполнения отверстий, ТЕМ01 (донатово распределение) для закалки, а также ТЕМm0 (распределение Камабо- ко) и ТЕМmn (распределение по высоким гармоникам). Поперечные моды обусловлены резонансом внутри лазерного резонатора и имеют вид электромагнитного поля, определенного граничными условиями резонатора. В случае цилиндрического резонатора m обозначает чис- ло узлов поля на радиусе резонатора, а n – число узлов на половине его периметра. Как видно из рис. 1.1 и 1.2, с ростом поперечных мо- довых чисел число областей, в которых сосредоточено поле, возрас- тает, а их характерный размер, естественно, уменьшается. Так как именно этот размер определяет дифракционную расходимость ла- зерного излучения, моды высшего порядка хуже фокусируются и по- этому от них, как правило, стремятся избавиться. Теоретическая уг- ловая расходимость лазерного излучения может быть столь малой, что определяется лишь явлением дифракции когерентных волн на выходе луча из резонатора. На практике расходимость излучения значительно превышает теоретическую. Но, несмотря на это, лазер- ное излучение все равно обладает исключительно высокой направ- ленностью по сравнению с обычными источниками света, что позво- ляет передавать лазерную энергию на большие расстояния с очень малыми потерями. Типичный угол расходимости луча при работе лазера в основной моде (ТЕМ00 – гауссовская мода) – 0,001 радиан. Для типичного мощного многомодового лазера угол расходимости обычно составляет 0,015…0,020 рад.

1.1.3. Оптические системы лазерных установок

Лазерное излучение, полученное на выходе из резонатора ла- зерной установки, нельзя непосредственно использовать для об- работки материалов. Это связано с тем, что диаметр излучения составляет от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров и при этом не обеспечивается высокая степень кон- центрации энергии. Для увеличения концентрации энергии необ- ходимо преобразовать лазерное излучение таким образом, чтобы на поверхности обрабатываемой детали лазерный луч имел зна- чительно меньший диаметр (порядка сотых или десятых долей миллиметра). Это достигается с помощью оптических фокуси- рующих систем – линзовых или зеркальных.

В различных технологических процессах лазерной обработки ма- териалов возникает необходимость изменить направление лазерного

10