激光器是一種在從極紫外到遠紅外（亞毫米）的光譜範圍內產生相干電磁輻射能量的裝置。 期限 激光 實際上是 輻射激發光放大. 儘管阿爾伯特·愛因斯坦在 1916 年從理論上預測了激光過程，但直到 1960 年才展示出第一台成功的激光。近年來，激光已經從研究實驗室應用到工業、醫療和辦公環境以及建築工地，甚至戶。 在許多應用中，例如視盤播放器和光纖通信系統，激光器的輻射能量輸出是封閉的，用戶不會面臨健康風險，而且產品中嵌入的激光器的存在對用戶來說可能並不明顯。 然而，在某些醫療、工業或研究應用中，激光發射的輻射能量是可接觸到的，可能對眼睛和皮膚造成潛在危害。
因為激光工藝（有時稱為“激光加工”）可以產生高度准直的光輻射束（即紫外線、可見光或紅外輻射能），所以激光可以在相當遠的距離造成危險——這與大多數遇到的危險完全不同在工作的地方。 或許正是這一特徵導致了工人和職業健康與安全專家的特別關注。 然而，如果採取適當的危害控制措施，則可以安全地使用激光。 全世界都存在安全使用激光的標準，並且大多數標準相互“協調”（ANSI 1993；IEC 1993）。 所有標準都使用危險分類系統，該系統根據激光的輸出功率或能量及其造成傷害的能力將激光產品分為四大危險類別之一。 然後根據危險分類採取相應的安全措施（Cleuet 和 Mayer 1980 年；Duchene、Lakey 和 Repacholi 1991 年）。
激光器以離散波長運行，儘管大多數激光器是單色的（發射一種波長或單一顏色），但激光器發射多個離散波長的情況並不少見。 例如，氬激光器在近紫外和可見光譜內發射幾條不同的線，但通常設計為僅發射一條 514.5 nm 的綠線（波長）和/或 488 nm 的藍線。 在考慮潛在的健康危害時，確定輸出波長始終至關重要。
所有激光器都具有三個基本構建塊：
- 定義可能的發射波長的活性介質（固體、液體或氣體）
- 能源（例如電流、泵浦燈或化學反應）
- 帶有輸出耦合器的諧振腔（一般為兩個反射鏡）。
研究實驗室以外的大多數實用激光系統也有光束傳輸系統，例如光纖或帶鏡子的關節臂將光束引導到工作站，以及聚焦透鏡將光束集中在待焊接的材料上等. 在激光中，相同的原子或分子被泵浦燈發出的能量帶入激發態。 當原子或分子處於激發態時，一個光子（“光能的粒子”）可以激發一個激發的原子或分子發射出具有相同能量（波長）的同相（相干）傳播的第二個光子方向作為激發光子。 因此發生了兩倍的光放大。 在級聯中重複相同的過程會導致光束在諧振腔的鏡子之間來回反射。 由於其中一個鏡子是部分透明的，一些光能離開諧振腔形成發射的激光束。 雖然在實踐中，兩個平行鏡通常是彎曲的以產生更穩定的諧振條件，但基本原理適用於所有激光器。
儘管物理實驗室已經演示了數千種不同的激光線（即不同活性介質的離散激光波長特徵），但只有 20 條左右的激光線被商業化開發到可以在日常技術中常規應用的程度。 已經制定和發布了激光安全指南和標準，這些指南和標準基本上涵蓋了光譜的所有波長，以允許當前已知的激光線和未來的激光。
激光危害分類
目前全世界的激光安全標準遵循將所有激光產品分類為危險類別的做法。 通常，該方案遵循四個廣泛的危險類別，即 1 到 4。第 1 類激光不會發射具有潛在危險的激光輻射，也不會對健康造成危害。 2 至 4 類對眼睛和皮膚的危害越來越大。 分類系統很有用，因為為每一類激光規定了安全措施。 最高等級需要更嚴格的安全措施。
1 類被認為是“對眼睛安全”的無風險分組。 大多數完全封閉的激光器（例如激光光盤刻錄機）都是 1 類激光器。1 類激光器不需要任何安全措施。
2 類是指發出非常低功率的可見激光，即使整個光束功率進入人眼並聚焦在視網膜上也不會造成危險。 如果進入眼睛的能量不足以在厭惡反應中損壞視網膜，則眼睛對觀看非常明亮的光源的自然厭惡反應保護眼睛免受視網膜損傷。 厭惡反應由眨眼反射（大約 0.16-0.18 秒）和暴露於如此強光時的眼睛旋轉和頭部運動組成。 目前的安全標准保守地將厭惡反應定義為持續 0.25 秒。 因此，2 類激光器的輸出功率為 1 毫瓦 (mW) 或更小，對應於 0.25 秒的允許暴露限值。 2 類激光器的示例是激光指示器和一些校準激光器。
一些安全標準還包含 2 類的子類別，稱為“2A 類”。 2A 類激光凝視長達 1,000 秒（16.7 分鐘）沒有危險。 大多數用於銷售點（超市收銀台）和庫存掃描儀的激光掃描儀都是 2A 類。
3 類激光會對眼睛造成危害，因為厭惡反應不夠快，無法將視網膜暴露在暫時安全的水平，並且還可能對眼睛的其他結構（例如角膜和晶狀體）造成損害。 偶然接觸通常不存在皮膚危害。 3 類激光器的例子有許多研究激光器和軍用激光測距儀。
3 類的一個特殊子類別稱為“3A 類”（其餘 3 類激光器稱為“3B 類”）。 3A 類激光器是指輸出功率在 1 類或 2 類可達發射限值 (AEL) 的 XNUMX 到 XNUMX 倍之間，但輸出輻照度不超過較低類的相關職業暴露限值的激光器。 許多激光校準和測量儀器就是例子。
4 類激光可能會造成潛在的火災危險、嚴重的皮膚危險或漫反射危險。 幾乎所有用於焊接和切割的外科手術激光器和材料加工激光器如果沒有封閉的話都是 4 類。 所有平均功率輸出超過 0.5 W 的激光器都是 4 類激光器。如果更高功率的 3 類或 4 類激光器被完全封閉，從而無法接觸到危險的輻射能量，則整個激光器系統可以是 1 類。外殼被稱為 嵌入式激光器.
職業接觸限值
國際非電離輻射防護委員會 (ICNIRP 1995) 已發布定期更新的人體激光輻射暴露限值指南。 表 1 中提供了幾種典型激光器的代表性暴露限值 (EL)。 幾乎所有激光束都超過了允許的曝光限值。 因此，在實際操作中，暴露限值通常不用於確定安全措施。 相反，激光分類方案——基於在現實條件下應用的 EL——真正應用於此目的。
表 1. 典型激光的曝光限值
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激光類型 |
主波長 |
暴露限度 |
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氟化氬 |
193納米 |
3.0 兆焦耳/厘米2 超過8小時 |
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氯化氙 |
308納米 |
40 兆焦耳/厘米2 超過8小時 |
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氬離子 |
488、514.5 納米 |
3.2 毫瓦/平方厘米2 0.1 秒 |
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銅蒸氣 |
510、578 納米 |
2.5 毫瓦/平方厘米2 0.25 秒 |
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氦氖 |
632.8納米 |
1.8 毫瓦/平方厘米2 10 秒 |
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金蒸氣 |
628納米 |
1.0 毫瓦/平方厘米2 10 秒 |
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氪離子 |
568、647 納米 |
1.0 毫瓦/平方厘米2 10 秒 |
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釹釔鋁石榴石 |
1,064納米 |
5.0 微焦/厘米2 1 ns 至 50 μs |
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二氧化碳 |
10–6 微米 |
100 毫瓦/平方厘米2 10 秒 |
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一氧化碳 |
≈5 微米 |
到 8 小時，有限的區域 |
所有標準/準則都具有其他波長和曝光持續時間的 MPE。
注意：要將 MPE 轉換為 mW/cm2 至 mJ/cm2, 乘以以秒為單位的曝光時間 t。 例如，He-Ne 或 Argon MPE 在 0.1 秒時為 0.32 mJ/cm2.
資料來源：ANSI 標準 Z-136.1(1993)； ACGIH TLVs (1995) 和 Duchene、Lakey 和 Repacholi (1991)。
激光安全標準
許多國家都發布了激光安全標準，並且大部分都與國際電工委員會 (IEC) 的國際標准保持一致。 IEC 標準 825-1 (1993) 適用於製造商； 但是，它也為用戶提供了一些有限的安全指導。 上述激光危險分類必須標記在所有商業激光產品上。 適用於該類別的警告標籤應出現在 2 至 4 類的所有產品上。
安全措施
激光安全分類系統極大地促進了適當安全措施的確定。 激光安全標準和操作規範通常要求對每個更高的分類使用越來越嚴格的控制措施。
在實踐中，總是更希望完全封閉激光和光束路徑，這樣就不會接觸到具有潛在危險的激光輻射。 換句話說，如果在工作場所只使用 1 類激光產品，則可以保證安全使用。 然而，在許多情況下，這根本不切實際，需要對工人進行安全使用和危害控制措施方面的培訓。
除了明顯的規則——不要將激光對准人的眼睛——2 類激光產品不需要任何控制措施。 對於更高級別的激光器，顯然需要採取安全措施。
如果 3 級或 4 級激光器的整個外殼不可行，則在大多數情況下，使用光束外殼（例如，管）、擋板和光學罩幾乎可以消除危險的眼睛暴露風險。
當外殼對於 3 類和 4 類激光不可行時，應建立一個具有受控進入的激光控制區域，並且通常要求在激光束的標稱危險區 (NHZ) 內使用激光護目鏡。 儘管在大多數使用准直激光束的研究實驗室中，NHZ 涵蓋了整個受控實驗室區域，但對於聚焦光束應用，NHZ 可能非常有限，無法涵蓋整個房間。
為防止未經授權的激光用戶濫用和可能的危險行為，應使用所有商業製造的激光產品上的關鍵控制。
如果人們可以接觸到激光器，則在不使用激光器時應確保鑰匙安全。
在激光對準和初始設置期間需要採取特殊預防措施，因為那時嚴重眼睛受傷的可能性非常大。 激光工人必須在激光設置和校準之前接受安全操作培訓。
激光防護眼鏡是在職業暴露限值確定後開發的，並起草了規格以提供光密度（或 OD，衰減因子的對數度量），作為特定波長和暴露持續時間的函數激光。 儘管歐洲存在激光眼保護的特定標準，但美國國家標準協會在美國以 ANSI Z136.1 和 ANSI Z136.3 的名稱提供了進一步的指南。
技術培訓
在調查實驗室和工業情況下的激光事故時，出現了一個共同因素：缺乏足夠的培訓。 激光安全培訓對於每個員工將圍繞其工作的激光操作應該是適當和充分的。 培訓應針對激光類型和分配給工人的任務。
醫療監督
根據當地職業醫學法規，激光工人的醫療監督要求因國家/地區而異。 曾幾何時，當激光僅限於研究實驗室並且對其生物學效應知之甚少時，每個激光工作者定期接受眼底（視網膜）攝影的全面眼科檢查以監測眼睛的狀態是很典型的. 然而，到 1970 年代初，這種做法受到質疑，因為臨床發現幾乎總是陰性，而且很明顯，這種檢查只能識別主觀可檢測的急性損傷。 這導致 WHO 激光工作組於 1975 年在愛爾蘭的 Don Leaghreigh 開會，建議不要進行此類涉及的監測計劃，並強調視覺功能測試。 從那時起，大多數國家職業健康團體都在不斷降低體檢要求。 今天，只有在發生激光眼損傷或疑似過度暴露的情況下，普遍需要進行全面的眼科檢查，並且通常需要進行植入前視力篩查。 一些國家可能需要額外的檢查。
激光測量
與某些工作場所危害不同，通常不需要對工作場所的激光輻射危險水平進行監測。 由於大多數激光束的光束尺寸高度受限、改變光束路徑的可能性以及激光輻射計的難度和費用，當前的安全標準強調基於危險類別而不是工作場所測量（監控）的控制措施。 製造商必須進行測量，以確保符合激光安全標準和正確的危險分類。 事實上，激光危害分類的最初理由之一與為危害評估執行適當測量的巨大困難有關。
結論
儘管激光對於工作場所來說相對較新，但它正迅速變得無處不在，與激光安全相關的計劃也是如此。 安全使用激光的關鍵首先是盡可能封閉激光輻射能量，如果不可能，則要建立適當的控制措施並對所有使用激光的人員進行培訓。