Лазер — это устройство, которое производит когерентную электромагнитную лучистую энергию в оптическом спектре от крайнего ультрафиолета до дальнего инфракрасного (субмиллиметрового). Срок лазер на самом деле это аббревиатура от усиление света за счет вынужденного излучения. Хотя лазерный процесс был теоретически предсказан Альбертом Эйнштейном в 1916 году, первый успешный лазер не был продемонстрирован до 1960 года. домохозяйства. Во многих приложениях, таких как проигрыватели видеодисков и оптоволоконные системы связи, выходная энергия лазера скрыта, пользователь не подвергается риску для здоровья, а наличие лазера, встроенного в продукт, может быть неочевидным для пользователя. Однако в некоторых медицинских, промышленных или исследовательских целях излучаемая лазером лучистая энергия доступна и может представлять потенциальную опасность для глаз и кожи.
Поскольку лазерный процесс (иногда называемый «генерацией») может генерировать сильно коллимированный пучок оптического излучения (т. е. энергии ультрафиолетового, видимого или инфракрасного излучения), лазер может представлять опасность на значительном расстоянии — в отличие от большинства встречающихся опасностей. на рабочем месте. Возможно, именно эта характеристика в большей степени, чем что-либо другое, вызывает особую обеспокоенность со стороны рабочих и специалистов по охране труда и технике безопасности. Тем не менее, лазеры можно безопасно использовать, если применяются соответствующие средства контроля опасности. Стандарты безопасного использования лазеров существуют во всем мире, и большинство из них «согласованы» друг с другом (ANSI 1993; IEC 1993). Во всех стандартах используется система классификации опасности, которая группирует лазерные изделия в один из четырех широких классов опасности в зависимости от выходной мощности или энергии лазера и его способности причинять вред. Затем применяются меры безопасности в соответствии с классификацией опасности (Cleuet and Mayer 1980; Duchene, Lakey and Repacholi 1991).
Лазеры работают на дискретных длинах волн, и хотя большинство лазеров являются монохроматическими (излучающими одну длину волны или один цвет), лазер нередко излучает несколько дискретных длин волн. Например, аргоновый лазер излучает несколько разных линий в ближнем ультрафиолетовом и видимом спектрах, но обычно предназначен для излучения только одной зеленой линии (длина волны) на длине волны 514.5 нм и/или синей линии на длине волны 488 нм. При рассмотрении потенциальных опасностей для здоровья всегда крайне важно установить выходную длину волны.
Все лазеры имеют три основных строительных блока:
- активная среда (твердое тело, жидкость или газ), определяющая возможные длины волн излучения
- источник энергии (например, электрический ток, лампа накачки или химическая реакция)
- резонатор с выходным ответвителем (обычно два зеркала).
Большинство практичных лазерных систем за пределами исследовательской лаборатории также имеют систему доставки луча, такую как оптическое волокно или шарнирный рычаг с зеркалами для направления луча на рабочую станцию и фокусирующие линзы для концентрации луча на свариваемом материале и т. д. В лазере идентичные атомы или молекулы переводятся в возбужденное состояние за счет энергии, поступающей от лампы накачки. Когда атомы или молекулы находятся в возбужденном состоянии, фотон («частица» световой энергии) может стимулировать возбужденный атом или молекулу к испусканию второго фотона с той же энергией (длиной волны), движущегося в фазе (когерентно) и в том же направлении. направление как стимулирующий фотон. Таким образом, произошло усиление света в два раза. Этот же процесс, повторяющийся в каскаде, приводит к возникновению светового луча, который отражается туда и обратно между зеркалами резонатора. Поскольку одно из зеркал частично прозрачно, часть световой энергии покидает резонатор, формируя излучаемый лазерный пучок. Хотя на практике два параллельных зеркала часто изогнуты для создания более стабильного резонансного состояния, основной принцип верен для всех лазеров.
Хотя в физической лаборатории было продемонстрировано несколько тысяч различных лазерных линий (т. е. дискретных длин волн лазера, характерных для различных активных сред), только 20 или около того были разработаны на коммерческой основе до такой степени, что они рутинно применяются в повседневных технологиях. Были разработаны и опубликованы руководящие принципы и стандарты лазерной безопасности, которые в основном охватывают все длины волн оптического спектра, чтобы учесть известные в настоящее время лазерные линии и будущие лазеры.
Классификация лазерной опасности
Действующие во всем мире стандарты лазерной безопасности следуют практике классификации всех лазерных изделий по классам опасности. Как правило, схема соответствует четырем широким классам опасности, от 1 до 4. Лазеры класса 1 не могут излучать потенциально опасное лазерное излучение и не представляют опасности для здоровья. Классы со 2 по 4 представляют возрастающую опасность для глаз и кожи. Система классификации полезна, так как меры безопасности предписаны для каждого класса лазера. Для высших классов требуются более строгие меры безопасности.
Класс 1 считается «безопасным для глаз» и не представляет риска. Большинство полностью закрытых лазеров (например, лазерные устройства записи компакт-дисков) относятся к классу 1. Для лазера класса 1 не требуется никаких мер безопасности.
Класс 2 относится к видимым лазерам, которые излучают очень низкую мощность, которая не была бы опасной, даже если бы вся мощность луча попала в человеческий глаз и была сфокусирована на сетчатке. Естественная реакция глаза на отвращение к очень ярким источникам света защищает глаз от повреждения сетчатки, если энергии, поступающей в глаз, недостаточно для повреждения сетчатки в рамках реакции отвращения. Реакция отвращения состоит из мигательного рефлекса (примерно 0.16–0.18 секунды), вращения глаз и движения головы при воздействии такого яркого света. Текущие стандарты безопасности консервативно определяют реакцию отвращения как продолжительность 0.25 секунды. Так, лазеры класса 2 имеют выходную мощность 1 милливатт (мВт) или меньше, что соответствует допустимому пределу воздействия в течение 0.25 секунды. Примерами лазеров класса 2 являются лазерные указки и некоторые лазеры для юстировки.
Некоторые стандарты безопасности также включают подкатегорию Класса 2, называемую «Класс 2А». Лазеры класса 2А не опасны, если смотреть на них до 1,000 с (16.7 мин). Большинство лазерных сканеров, используемых в точках продаж (кассах супермаркетов) и сканерах инвентаря, относятся к классу 2А.
Лазеры класса 3 представляют опасность для глаз, поскольку реакция отвращения является недостаточно быстрой, чтобы ограничить воздействие на сетчатку до кратковременно безопасного уровня, а также может иметь место повреждение других структур глаза (например, роговицы и хрусталика). Опасности для кожи обычно не существует при случайном воздействии. Примерами лазеров класса 3 являются многие исследовательские лазеры и военные лазерные дальномеры.
Особая подкатегория Класса 3 называется «Класс 3А» (с остальными лазерами Класса 3, называемыми «Класс 3В»). Лазеры класса 3A — это лазеры с выходной мощностью от одного до пяти раз превышающие допустимые пределы излучения (AEL) для класса 1 или класса 2, но с выходным излучением, не превышающим соответствующий предел воздействия на рабочем месте для более низкого класса. Примерами являются многие инструменты для лазерной центровки и геодезии.
Лазеры класса 4 могут представлять потенциальную опасность возгорания, значительную опасность для кожи или опасность диффузного отражения. Практически все хирургические лазеры и лазеры для обработки материалов, используемые для сварки и резки, относятся к классу 4, если они не закрыты. Все лазеры со средней выходной мощностью более 0.5 Вт относятся к Классу 4. Если лазеры с более высокой мощностью Класса 3 или Класса 4 полностью закрыты, так что опасная лучистая энергия недоступна, вся лазерная система может относиться к Классу 1. Чем опаснее лазер внутри корпус называется встроенный лазер.
Пределы воздействия на рабочем месте
Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP, 1995 г.) опубликовала рекомендации по предельным значениям воздействия лазерного излучения на человека, которые периодически обновляются. Репрезентативные пределы воздействия (EL) приведены в таблице 1 для нескольких типичных лазеров. Практически все лазерные лучи превышают допустимые пределы воздействия. Таким образом, на практике пределы воздействия обычно не используются для определения мер безопасности. Вместо этого для этой цели действительно применяется схема классификации лазеров, основанная на ЭЛ, применяемых в реальных условиях.
Таблица 1. Пределы воздействия для типичных лазеров
|
Тип лазера |
Основная длина волны (ы) |
Предел экспозиции |
|
фторид аргона |
193 нм |
3.0 мДж/см2 более 8 часов |
|
Ксенон хлорид |
308 нм |
40 мДж/см2 более 8 часов |
|
Ион аргона |
488, 514.5 нм |
3.2 мВт/см2 в течение 0.1 с |
|
Пары меди |
510, 578 нм |
2.5 мВт/см2 в течение 0.25 с |
|
гелий-неон |
632.8 нм |
1.8 мВт/см2 в течение 10 с |
|
Золотой пар |
628 нм |
1.0 мВт/см2 в течение 10 с |
|
ион криптона |
568, 647 нм |
1.0 мВт/см2 в течение 10 с |
|
Неодим-YAG |
1,064 нм |
5.0 мкДж/см2 от 1 нс до 50 мкс |
|
Углекислый газ |
10 – 6 мкм |
100 мВт/см2 в течение 10 с |
|
Монооксид углерода |
≈5 мкм |
до 8 ч, ограниченная площадь |
Все стандарты/рекомендации имеют MPE для других длин волн и длительности воздействия.
Примечание. Для преобразования MPE в мВт/см2 в мДж/см2, умножьте на время экспозиции t в секундах. Например, MPE He-Ne или Argon при 0.1 с составляет 0.32 мДж/см.2.
Источник: Стандарт ANSI Z-136.1 (1993 г.); ACGIH TLVs (1995) и Duchene, Lakey and Repacholi (1991).
Стандарты лазерной безопасности
Многие страны опубликовали стандарты лазерной безопасности, и большинство из них согласованы с международным стандартом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Стандарт IEC 825-1 (1993) применяется к производителям; однако он также содержит некоторые ограниченные рекомендации по безопасности для пользователей. Описанная выше классификация лазерной опасности должна быть нанесена на все коммерческие лазерные изделия. Предупреждающая этикетка, соответствующая классу, должна быть нанесена на все продукты классов 2–4.
Меры предосторожности
Система классификации лазерной безопасности значительно облегчает определение соответствующих мер безопасности. Стандарты лазерной безопасности и кодексы практики обычно требуют использования все более ограничительных мер контроля для каждой более высокой классификации.
На практике всегда более желательно полностью закрыть путь лазера и луча, чтобы не было доступно потенциально опасное лазерное излучение. Другими словами, если на рабочем месте используются только лазерные изделия класса 1, безопасное использование гарантировано. Однако во многих ситуациях это просто нецелесообразно, и требуется обучение работников безопасному использованию и мерам контроля опасностей.
Помимо очевидного правила — не направлять лазер в глаза человеку — для лазерного изделия класса 2 не требуется никаких мер контроля. Для лазеров более высоких классов явно требуются меры безопасности.
Если полное ограждение лазера класса 3 или 4 невозможно, использование ограждений для луча (например, трубок), экранов и оптических крышек может в большинстве случаев практически устранить риск опасного воздействия на глаза.
Если ограждение для лазеров класса 3 и 4 невозможно, следует установить контролируемую лазером зону с контролируемым входом, а использование средств защиты глаз от лазерного излучения, как правило, обязательно в пределах номинальной опасной зоны (NHZ) лазерного луча. Хотя в большинстве исследовательских лабораторий, где используются коллимированные лазерные лучи, NHZ охватывает всю контролируемую лабораторную зону, для приложений с фокусированным лучом NHZ может быть неожиданно ограниченным и не охватывать всю комнату.
Для защиты от неправильного использования и возможных опасных действий со стороны неуполномоченных пользователей лазера следует использовать ключ управления, имеющийся на всех серийно выпускаемых лазерных изделиях.
Ключ должен быть защищен, когда лазер не используется, если люди могут получить доступ к лазеру.
Особые меры предосторожности требуются во время юстировки и первоначальной настройки лазера, так как в этом случае очень велика вероятность серьезного повреждения глаз. Рабочие, работающие с лазерами, должны быть обучены безопасным методам работы перед настройкой и юстировкой лазера.
Очки для защиты от лазерного излучения были разработаны после того, как были установлены пределы воздействия на рабочем месте, и были составлены спецификации для обеспечения оптических плотностей (или ОП, логарифмической меры коэффициента ослабления), которые потребуются в зависимости от длины волны и продолжительности воздействия для конкретных условий. лазеры. Хотя в Европе существуют специальные стандарты для защиты глаз от лазерного излучения, в США Американским национальным институтом стандартов предоставлены дополнительные рекомендации под обозначениями ANSI Z136.1 и ANSI Z136.3.
Обучение
При расследовании лазерных аварий как в лабораторных, так и в промышленных условиях возникает общий элемент: отсутствие надлежащей подготовки. Обучение лазерной безопасности должно быть адекватным и достаточным для лазерных операций, с которыми будет работать каждый сотрудник. Обучение должно быть специфичным для типа лазера и задачи, для которой назначен рабочий.
Медицинское наблюдение
Требования к медицинскому наблюдению за работниками, работающими с лазерами, варьируются от страны к стране в соответствии с местными правилами медицины труда. В свое время, когда лазеры были ограничены исследовательской лабораторией и мало что было известно об их биологическом действии, было довольно характерно, что каждый работник лазера периодически проходил тщательное общее офтальмологическое обследование с фотографией глазного дна (сетчатки) для контроля состояния глаза. . Однако к началу 1970-х годов эта практика была поставлена под сомнение, поскольку клинические данные почти всегда были отрицательными, и стало ясно, что такие обследования могут выявить только острую травму, которую можно обнаружить субъективно. Это привело к тому, что целевая группа ВОЗ по лазерам, собравшаяся в Дон Лири, Ирландия, в 1975 году, рекомендовала отказаться от таких сложных программ наблюдения и сделать акцент на тестировании зрительных функций. С тех пор большинство национальных групп по гигиене труда постоянно сокращают требования к медицинскому осмотру. Сегодня полное офтальмологическое обследование требуется повсеместно только в случае повреждения глаза лазером или подозрения на передозировку, а также, как правило, требуется предварительное визуальное обследование. В некоторых странах могут потребоваться дополнительные обследования.
Лазерные измерения
В отличие от некоторых опасностей на рабочем месте, обычно нет необходимости выполнять измерения для мониторинга опасных уровней лазерного излучения на рабочем месте. Из-за очень ограниченных размеров луча большинства лазерных лучей, вероятности изменения траектории луча, а также сложности и дороговизны лазерных радиометров в текущих стандартах безопасности особое внимание уделяется мерам контроля, основанным на классе опасности, а не на измерениях на рабочем месте (мониторинг). Измерения должны выполняться производителем, чтобы гарантировать соответствие стандартам лазерной безопасности и надлежащую классификацию опасности. Действительно, одно из первоначальных обоснований классификации лазерной опасности было связано с большой сложностью проведения надлежащих измерений для оценки опасности.
Выводы
Хотя лазер появился на рабочем месте относительно недавно, он быстро становится повсеместным, как и программы, связанные с лазерной безопасностью. Ключом к безопасному использованию лазеров является, во-первых, ограждение энергии лазерного излучения, если это вообще возможно, а если это невозможно, то необходимо принять адекватные меры контроля и обучить весь персонал, работающий с лазерами.