2020.04.15 Лекция № 9 Лазерное излучение. (Лекции - Ванаев)

Уважаемые студенты

сегодня 15 апреля 2020 года время с 12.00 до 13.35

мы с Вами должны посвятить себя изучению раздела БЖД «Лазерное излучение». Для этого Вы должны познакомиться с Лекцией № 9 Вашего лектора по теме «Лазерное излучение » (текст ниже).

Обычно эта тема в кафедральной тематике занимает не много места. Это связано со сложной спецификой тематики, некоторыми противоречиями в трактовке нормативных значений российских и зарубежных санитарных служб. И тем не менее, принимая во внимание наличие в нашем учебном потоке группы МТ 12-61 «Лазерные технологии в машиностроении», Ваш преподаватель счел необходимым эту тему выделить в виде отдельной лекции с более углубленной её проработкой, включив в семинарские занятия несколько задач по этой тематике.

После детального и тщательного освоения материала лекции на тему «Лазерное излучение» в этот же день

ОБЯЗАТЕЛЬНО

отправьте на электронную почту лектора

vvanaev@mail.ru

следующую информацию

Получение лектором этой информации является достаточно убедительным основанием считать, что Вы «присутствовали» на лекции, освоили её и отсканировали (как бы законспектировали) 15.04.2020 с 12.00 до 13.35.

С уважением, Ваш лектор по БЖД Ванаев В.С.

15 апреля 2020 года 12.00-13.35

Лекция № 9

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Как обычно, целесообразно начать лекцию с основных понятий, определяющих тематику изучаемого предмета. Хочется подобрать наиболее простые и убедительные определения. Что такое лазерное излучение, и что такое лазер?

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение, характеризующееся монохромностью (строго одной длины волны), когерентностью (неизменность фазы излучения), коллимированностью (острая направленность луча с малым углом расхождением).

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

Слово «Лазер» представляет собой аббревиатуру, образованную из начальных английских слов выражения Light amplification by stimulated emission of radiation (Усиление света за счет создания стимулированного излучения).

Объяснить причину внимания БЖД к лазерному излучению, как опасному и вредному фактору, можно одним примером. Благодаря большой интенсивности излучения и малой расходимости луча, в котором сконцентрирована электромагнитная энергия, плотность потока энергии может достигать ППЭ=10¹⁴ Вт/см². В то время, как для испарения самых твердых материалов достаточно 10⁹ Вт/см².

С точки зрения конструкции лазер имеет очень простую структуру, в которую входят три основных элемента:

- активная среда (твердая, жидкая, газообразная);

- резонатор (например, зеркала с высокой степенью отражения);

- система накачки (мощный источник энергии).

Лазерное излучение, как ВИД электромагнитного излучения, генерируется в диапазоне длин волн 0,2 – 1000 мкм. Современные лазеры работают в следующих частотных диапазонах:

0,2 … 0,4 мкм – ультрафиолетовая область;

0,4 … 0,75 мкм – видимая область;

0,75 … 1,4 мкм – ближняя инфракрасная область;

1,4 … 10² мкм – инфракрасная и дальняя инфракрасная область.

По режиму работы существуют лазеры импульсные и непрерывные. Всё это можно видеть на представленной классификации лазеров, которая показывает, насколько широко они могут быть востребованы во всех областях народного хозяйства – от микрохирургии глаза до обороны.

Воздействие лазерного излучения на человека

Воздействие лазерного излучения на человека различают по виду излучения:

- прямое (коллимированное, заключенное в ограниченном телесном

угле);

- рассеянное (за счет вещества среды, через которую проходит луч);

- зеркально-отраженное (равенство угла падения и отражения

коллимированного луча);

- диффузно-отраженное (неровности поверхности, соизмеримые с

длиной волны, приводят к рассеянию отражения падающего

прямого луча).

Эффект воздействия на организм человека зависит от:

- длины волны, мкм;

- интенсивности излучения, определяемой энергией или мощность, Дж

или Вт;

- времени облучения;

- для импульсных лазеров длительности импульса, с;

- частоты повторения импульсов, Гц;

- площади облучаемого участка.

Воздействие лазерного излучения на человека или реакция живой ткани на это излучение обусловлено взаимодействием фотонов и молекул или соединений молекул ткани. Атомарные и молекулярные процессы и последующие биологические реакции выяснены еще не полностью. Известные процессы могут быть подразделены в основном на фотохимическое взаимодействие и термическое. При этом:

– фотохимические процессы (воздействие на ГЛАЗА) доминируют при низкой плотности мощности и продолжительном времени экспозиции;

– термические процессы (воздействие на КОЖУ)доминируют при более высокой плотности мощности и более коротком времени воздействия.

Степень того или иного воздействия зависит:

а) от свойств лазерного излучения (длина волны, плотность энергии, длительность облучения и частота повторения);

б) от свойств биологического материала (коэффициент поглощения, коэффициент рассеивания, плотность и т.д.).

В зависимости от длины волны, плотности энергии и времени воздействия лазерного излучения эффект определяется в основном двумя внутренними параметрами ткани: с одной стороны, оптическими свойствами облучаемой ткани и, с другой стороны, её термическими свойствами.

- Термическое (тепловое) повреждение (от покраснения до обугливания) кожи, а также внутренних органов, может быть вызвано лазерным излучением любой длины волны рассматриваемого спектрального диапазона (180— 10⁵ нм).

- Лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1 400 нм представляет наибольшую опасность для сетчатой оболочки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1 400 нм - для передних сред глаза. Лазерно-безопасным расстоянием для глаз является наименьшее расстояние, на котором энергетическая экспозиция (энергия) не превышает ПДУ для глаз.

Нормирование лазерного излучения

Нормирование лазерного излучения производится в соответствии с санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами

СанПиН 2.2.4.3359-16

«Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах». Раздел VIII. Лазерное излучение на рабочих местах.

Настоящие СанПиН устанавливают предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения в диапазоне длин волн от 180 до 1·10⁵ нм при эксплуатации производственных и медицинских лазерных установок.

Лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1 400 нм представляет

наибольшую опасность для сетчатой оболочки глаза, а излучение с длиной волны от 180 до 380 нм и свыше 1 400 нм – для передних сред глаза.

Лазерно-безопасным расстоянием для глаз является наименьшее расстояние, на котором энергетическая экспозиция (энергия) не превышает ПДУ для глаз.

Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любой длины волны рассматриваемого спектрального диапазона (180 — 1·10⁵ нм).

Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются

энергетическая экспозиция Н Дж/см² и

энергетическая освещенность (облученность) Е Вт/см²,

усредненные по ограничивающей апертуре.

Энергетическая экспозиция, Дж/см² – отношение энергии излучения, определяемой на рассматриваемом участке поверхности, к площади этого участка.

Энергетическая освещенность (облученность), Вт/см² – отношение мощности излучения, падающего на рассматриваемый небольшой участок поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого участка;

Ограничивающей апертурой является круглая диафрагма дозиметра, ограничивающая поверхность, по которой производится усреднение энергетической освещенности или энергетической экспозиции.

Наряду с энергетической экспозицией и энергетической освещенностью (облученностью) нормируемыми параметрами являются также

энергия W Дж и

мощность Р Вт

излучения, прошедшего через ограничивающие апертуры.

Указанные параметры связаны соотношениями:

Н=Е·t

W=H·S; P=E·S,

где: S - площадь ограничивающей апертуры (м²),

Предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения (ЛИ) устанавливаются для двух условий облучения – однократного и хронического.

Под однократным воздействием ЛИ понимается воздействие излучения с длительностью, не превышающей 3·10⁴ с.

Под хроническим воздействием лазерного излучения понимается систематически повторяющееся воздействие, которому подвергаются люди, профессионально связанные с лазерным излучением.

ПДУ ЛИ устанавливаются для трех диапазонов длин волн:

а) I – 180 < λ ≤ 380 нм;

б) II – 380 < λ ≤ 1400 нм;

в) III – 1400 < λ ≤ 10⁵ нм;

где λ – длина волны лазерного излучения (нм).

В нормах учитываются следующие параметры и факторы:

1. Нормы приводятся отдельно для глаз и кожи.

2. Нормы для прямого излучения и зеркально отраженного коллимированного ЛИ и рассеянного в среде и диффузно-отраженного.

3. В нормах учитывается однократное или хроническое воздействие;

4. Учитывается диаметр апертуры.

5. Для импульсных лазеров учитывается длительность одного импульса и частота следования импульсов.

Для I (ультрафиолетовая зона) и III (дальняя красная зона) диапазона длин волн ПДУ для глаз и кожи одинаковые. Для диапазона длин волн II (видимая зона) наиболее важным является фактор поражения глаз, поэтому и нормы преобладают для глаз.

В качестве примера (для любопытствующих и будущих профессионалов лазерщиков) рассмотрим значения Н_пду и Е_пду для диапазона длин волн II (видимая зона) более подробно.

Таблица 1. Соотношения для определения Н_пду при однократном действии на глаза коллимированного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ ≤ 1400 нм). Время действия меньше 1 сек. Ограничивающая апертура – 7·10^-3 м.

Таблица 2. Соотношения для определения Е_пду при однократном действии на глаза коллимированного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ ≤ 1400 нм). Время действия больше 1 сек. Ограничивающая апертура – 7·10^-3 м.

Под диффузно отраженным лазерным излучением понимается излучение, отраженное от поверхности, соизмеримой с длиной волны по всем возможным направлениям в пределах полусферы.

Таблица 3. Соотношения для определения Н_пду и Е_пду при однократном действии на кожу коллимированного или диффузно отраженного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ ≤ 1400 нм). Ограничивающая апертура – 1,1·10^-3 м.

При импульсном излучении нормируется величина одного импульса. Соотношения для определения Н_пду и Е_пду при воздействии на глаза и кожу импульсного ЛИ всех диапазонов длин волн приведены в таблицах 1и 3.

Обеспечение лазерной безопасности

Лазерная безопасность обеспечивается в соответствии со следующими нормативными документами:

1. ГОСТ 12.1.040-83 «ССБТ. Лазерная безопасность, Общие требования».

2. СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров».

Лазеры являются устройствами, представляющими повышенную опасность. Хотя существуют несколько факторов риска, связанных с лазерными установками, под лазерной безопасностью понимают способы защиты от факторов, связанных непосредственно с лазерным излучением.

Даже лазеры самой малой мощности могут представлять опасность для зрения. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения.