Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека

Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека Введение Использование лазерных приборов связано с определенной опасностью для человека. В данной работе будут рассмотрены только особенности констру ирования и практического применения лазерных приборов, связанные с воз можностью поражения глаз и кожных покровов человека. При этом основопол агающими нормативными документами являются: 825-я публикация Международн ой технической комиссии (МЭК) под названием "Радиационная безопасность л азерных изделий, классификация оборудования, требования и руководство для потребителей" как наиболее компетентная рекомендация мирового кла сса; новейшая отечественная разработка СНиП; ГОСТы. Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на челове ка Непосредственно на человека оказывает лазерное излучение любой дли ны волны; однако в связи со спектральными особенностями поражения орган ов и существенно различными предельно допустимыми дозами облучения об ычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека. Воздействие лазерного излучения на органы зрения Основное вредное воз действие лазерное излучение оказывает на сетчатку глаза, причем хруста лик (и глазное яблоко) , действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышает концентрацию энергии на сетчатке. Диапазон длин волн вредного воздействия на сетчатку глаза от 0.4 до 1.4 мкм. МДУ прямого облучения сетчатки Основное воздействие при импульсном воздействии оказывает тепловое ра зрушение сетчатке, при длительном воздействии излучения на сетчатку гл аза приводит в основном к фотохимическим процессам ее разрушения. Нормы плотности энергии для импульсного воздействия на сетчатку глаза [ Дж/м^2]: dt[мс] \ &[мкм] 0.4-0.7 1.05-1.4 < 2E-5 5E-3 2E-5.. 5E-5 5E-2 > 2E-5 18*dt^0.75 > 5E-5 90*dt^0.75 При наличии последовательности импульсов не только н и один из них, но и усредненная облученность не должны превышать МДУ. При усреднении воздействия последовательности импульсов с длительнос тью dt<10 мкс и частотой повторения f>1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в C5 раз: C5= 1/sqrt(f) при 1278 Гц. Если длительность отдельных импульсов dt в последовательности превышае т 10 мкс, то для длительностью Ndt за ограничение облученности принимают 1/N ча сть МДУ В сериях до 10-ти импульсов принимают длительность импульса равны м длительности серии и счетают как в предыдущем пункте. МДУ для наружных покровов глаз человека Невидимое УФ-(0.2.. 0.4мкм) или ИК-излучение (1.4.. 1000мкм) практически не доходят до се тчатки и поэтому может повреждать лишь наружные части глаза человека 1.1.3 Представление МДУ облучения как поверхности в координатах - t В 825-й публик ации МЭК определены МДУ облучения роговой оболочки глаза человека прям ым (т.е. направленным) лазерным излучением. МДУ облучения глаз рассеянным лазерным излучением На практике наиболее вероятно рассеянное лазерное излучение. В этом слу чае очень важно при определении МДУ облучения перенормировать плотнос ть излучения в диапазоне 0.4< <1.4 мкм. Достигающего сетчатки, поражая ее. Эта перенормировка связана с тем, что характер и размер поражения сетчатки изменяются в связи с резким увелич ением зоны облучения - от 0.01 мм., т.е. у гловой размер составляет 1' до a=0.015... 0.24 рад. МДУ лазерного облучения кожных покровов МДУ лазерного облучения для кожных покровов человека определяется по р екомендациям МЭК, и они несколько отличаются от значений, рассмотренных ранее для глаз в области видимого и ближнего ИК-излучения (<1.4 мкм.) Для опре деления МДУ для глаз и для кожных покровов пользуются таблицами, созданн ыми по рекомендации МЭК. Требования к изготовителям лазерных приборов в связи с обеспечением бе зопасности пользователей МЭК рекомендует в связи с унификацией требований к конструкциям лазерн ых приборов разделять эти приборы на четыре класса с точки зрения опасно сти лазерного излучения для пользователей. Лазерные излучатели класса 1 Наиболее безопасными как по своей природе, так и по конструктивному испо лнению являются приборы класса 1. Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий в России В систему документов, устанавливающих единую систему обеспечения лазе рной безопасности, входят: технические средства снижения опасных и вред ных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда на лазерных установках. К опасным и вредным производственным факторам относятся: - лазерное излу чение (прямое рассеянное, прямое, отраженное) ; световое излучение (УФ, вид имое, ИК) от источников накачки или кварцевых газоразрядных трубок, а так же от плазменных факелов и материалов мишени; - шум и вибрации; - ионизирую щие и рентгеновское излучение (при анодом напряжении более 5 КВ) ; - продукт ы взаимодействия ЛИ и мишеней; - высокое напряжение в цепях питания; - ВЧ- и С ВЧ-поля от генераторов накачки; - нагретые поверхности; - токсичные и агрес сивные вещества, используемые в конструкции лазера; - опасность взрывов и пожаров. Все факторы нормируются соответствующими ГОСТами. Классы опасности лазерного излучения по СНиП 5804-91 Наиболее опасно лазерное излучение с длинной волны: 0.38 1.40 мкм. - для сетчатки глаза; 0.18 - 0.38 мкм. и свыше 1.40 мкм. - для передних сред глаза; 0.18 - 100 мкм. (т.е. во всем ди апазоне) для кожи. При конструировании лазерных установок руководствуются принципом иск лючения воздействия ЛИ на человека. По степени опасности ЛИ делится на 4 класса: 1 класс полностью безопасное Л И; 2 класс - ЛИ представляет опасность для кожи и глаз при облучении коллим ированным пучком, но безопасно при диффузном об лучении; 3 класс - ЛИ видим ого диапазона опасно для глаз (коллимированное и диффузное излучение на расстоянии менее 10 см. от отражающе й поверхности) и кожи (коллимированный пучок) ; - 5 4 класс - диффузно отраженн ое ЛИ опасно для кожи и глаз на расстоянии менее 10 см. Гигиеническое нормирование ЛИ Для каждого режима работы лазера и спектрального диапазона рекомендую тся соответствующие предельно допустимые уровни (ПДУ) для энергии (W) и мощ ности (P) излучения, прошедшего ограничивающую апертуру d = 7 мм. для видимого диапазона или d = 1.1 мм. для остальных, энергетической экспозиции (H) и облученности (E) , усредненных по ограничивающей апертуре: H = W / Sa, E = P / Sa, где Sa - ог раничивающая апертура. Хронические ПДУ в 5 - 10 раз ниже ПДУ однократного воздействия. При одноврем енном воздействии ЛИ разного диапазона их действие суммируется с умнож ением на соответствующий энерго-вклад. Лазерное излучение характеризуется некоторыми особенностями: 1 - широки й спектральный (&=0.2.. 1 мкм) и динамический (120.. 200 дБ) ; 2 - малая длительность импуль сов (до 0.1 нс) ; 3 - высокая плотность мощности (до 1e+9 Вт/см^2) энергии; 1. Измерение э нергетических параметров и характеристик лазерного излучения 1.1 Измере ние мощности и энергии лазерного излучения. Энергия[Дж] - энергия, переносимая лазерным излучением - W Мощность [Вт] энер гия, переносимая лазерным излучением в единицу времени - P Средства измер ения содержат: 1) ПИП - приемник (первичный) измерительный преобразователь 2) Измерительное устройство 3) Регулирующее или отсчетное устройство В ПИ П энергия преобразуется в тепловую или механическую или в электрически й сигнал ПИП делятся на два типа: поглощающего и проходного В ПИП поглоща ющего типа, поступая на вход энергия лазерного излучения почти полность ю поглощается и рассеивается в нем. В ПИП проходящего типа рассеивается лишь поступившей на вход энергии из лучения, а большая часть излучения проходит через преобразователь и мож ет быть использована для требуемых целей. Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и изме рительную цепь. Их назначение - преобразование выходного сигнала ПИП в с игнал, подаваемый на отсчетное устройство. Отсчетное или регистрирующее устройство служит для считывания или рег истрации значения измеряемой величины. Тепловой метод Сущность метода состоит в том, что энергия излучения при взаимодействии с веществом ПИП превращается в тепловую энергию, которая впоследствии и змеряется. Для измерения тепловой энергии, выделяющейся в ПИП, обычно используют: -т ермоэлектрический эффект Зеебека (возникновение тепловой ЭДС между на гретыми и холодными спаянными проводниками из двух разных металлов или проводников) ; -боллометрический эффект (явлении изменения сопротивлени я металла или полупроводника при изменении температуры) ; -фазовые перех оды "твердое тело-жидкость" (лед-вода) ; -эффект линейного или объемного рас ширения веществ при нагревании ; Необходимо отметить, что все тепловые П ИП в принципе являются калориметрами. К достоинствам калориферов относятся: -широкий спектральный и динамиче ский диапазон работы; -высокая линейность, точность, стабильность характ еристик; -простота конструкции ; Тепловой поток: Ф=Gt (Tk -To) , где Gt тепловая прово димость; Rt/1=1/Gt тепловое сопротивление. Уравнение теплового равновесия имеет вид: dT(t) T(t) P(t) =C*----- + ----, где P(t) мощность, рассе иваемая в dT Rt калориметре; C теплоемкость; T=Tk-To Если в ПИП чувствительным элем ентом является термометрическое сопротивление, которое непосредствен но воспринимает оптическое излучение и в нем присутствует приемный эле мент, то такой ПИП называется болометром. Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэле ктрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристал лов при их облучении и проявляющегося в возникновении зарядов на гранях кристалла перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить не большой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то и зменения температуры, обусловленное поглощением излучения, будут проя вляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегис трированы. Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости измене ния среднего прироста температуры (d T/dt) чувствительного элемента. Следст вием этого является высокое быстродействие пироприемников (до 1E- c) , а такж е их чувствительность, большой динамический диапазон; широкий спектрал ьный диапазон (0.4.. 10.6 мкм) . Конструктивно чувствительный элемент пироприем ника не отличается от калометрических ПИП, за исключение самого чувстви тельного элемента, выполненного из пироэлектрика. В промышленности наибольшее распространение получили приемники на осн ове титана бария, на основе керамики цирконат титанат бария. Фотоэлектрический метод Основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемог о излучения на более высокие энергетические уровни. В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП) , которые делятся на 2-е групп ы: с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в выбивании фотоном электрона из металла, находяще гося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из связывающего состо яния под действием фотонов в свободное т.е. в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях переход про исходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излу чения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта. Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходно й электрический сигнал: I-Iфп+Iт=S P+Iт Где I - полный ток, протекающий через фотоп риемник [A] Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по током излуче ния [A] Iт - темновой ток [A] S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт] P - м ощность падающего на ФП излучения [Вт] Фотоприемники с внешним фотоэффек том Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности катода под действием Э/М и злучения: W=hv-w где w - постоянная, зависящая от природы материала фотокатода. Испускание e происходит лишь при hv > w = hv, где v пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен. Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта. К ФП на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэл ементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ) . S&=Qэф*&/1.24, где Qэф эффективный квантовый выход. Шумы и шумовые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувств ительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровне й сигналов. ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительн ой (динодной) системы. m Коэффициент усиления ФЭУ: M=П, i=1 Где - коэффициент вторичной эмиссии i-го дин ода коэффициент сбора электронов m - число каскадов усиления. S = S * M, где S - абсолютная спектральная чувствительность фотокатода. Чувствительность ФЭУ может достигать ~1E А/Вт в max спектральной характерис тике. Фотопреобразователи на основе внутреннего фотоэффекта К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающееся в возн икновении свободных носителей заряда в некоторых п/п и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к умен ьшению электрического сопротивления, и соответственно, к увеличению то ка, протекающего через ф/р. U & S = e*V*Q --- * --- e 1.24 где e - заряд электрона V - объем освещенной части п/п Q - квантовый вы ход внутреннего фотоэффекта - подвижность носителей U напряжение, прилож енное к ФР Действие кремниевых и германиевых ФД: возникновение под дейст вием излучения неосновных носителей, которые диффундируют через p-n пере ход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок зависит от интенсивности падающего и злучения. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием) . S =т* *Q*&(1-p) /1.24 где т коэффициент пропускания окна прибора; коэффициент собиран ия носителей; Q квантовый выход; & длина волны излучения; p - коэффициент отра жения. Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок ниже, чем у ге рманиевых и достигают 1E-5.. 1E-7 A. Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесоо бразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерени я средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы так и п/п. Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД обладают низким у ровнем шума. Преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: - небольшие габариты - низковольтное п итание - высокая надежность - механическая прочность - более высокая стаб ильность чувствительности - низкий уровень шумов Недостатки: - меньшее б ыстродействие - сильное влияние температуры на параметры и характерист ики прибора. Пондеромоторный метод В пондеромоторных измерителях энергии и мощности лазерного использует ся эффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную пла стинку и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобра зователем. Классический прибор для измерения малых сил - крутильные весы. При попад ании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклон яется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого мо жно судить о значении мощности или энергии. Значение угла __ при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P: где p - коэффициент отражения пластины т коэффициент пропускания входно го окна камера - угол падения излучения на пластинку C - скорость света K - же сткость подвеса где W - энергия излучения J - момент инерции вращающейся си стемы Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емко стной преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одн ой из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератор а. При повороте подвижной системы емкость конденсатора изменяется, меня ется частота генерации, что измеряется частотным детектором. Такая конс трукция громоздка, хотя и очень чувствительна. Другой способ реализации высокочувствительной системы отсчета являет ся схема с 2-мя ф/р. При отклонении системы, освещенность ф/р меняется, мост р азбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропор ционален углу отклонения, который регистрирует mA. Помимо крутильных весов для измерения широко используется механотроны , которые представляют собой электровакуумный прибор с механически упр авляемой электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение подвижных электронов, что вызыва ет соответствующее изменение анодного тока. Достоинства и недостатки методов: Достоинства теплового метода: 1) широк ий спектр и динамический диапазон измерений 2) простота и надежность изм ерительных средств 3) высокая точность Недостатки: 1) малое быстродействи е и чувствительность Достоинства ф/э метода: 1) максимальная чувствитель ность и быстродействие Недостатки: 1) сравнительно узкий спектральный ди апазон 2) большая погрешность измерения (5.. 30%) по сравнению с тепловыми приб орами. Достоинства пондеромоторного метода: 1) высокий верхний предел измеряем ой энергии и мощности 2) высокая точность измерений Недостатки: 1) жесткие требования к условиям эксплуатации (вибрации) 1.2 Измерение основных пара метров импульса лазерного излучения Ряд активных сред работают в импул ьсных режимах генерации: 1) это лазеры на самоограниченных переходах - азо тный лазер, генерирующий в УФ диапазоне, и лазер на парах Cu, дающий мощные и мпульсы зеленого цвета 2) рубиновые лазеры В результате возникает задача : измерить основные параметры генерации импульсных лазеров. Разделяют и змерение временных и энергетических параметров. Измерение энергии импульса проводится обычно с помощью ф/э приемника с в ысоким временным разрешением. Анализ параметров импульса с помощью осциллографа Для измерения формы импульса и его временных параметров (длительности т , tнар и tспада) используют быстродействующие фотоприемники с высокой лин ейностью световой характеристики. Это коаксиальные ф/э серии ФЭК: их временное разрешение 1e-9.. 1e-10 с. Для измерения формы импульса используют обычные универсальные осцилло графы с половой пропускания до 1e7 Гц, и специальные сверхкороткие осцилло графы. Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов Используют косвенные методы, основанные на применении временной разве ртки, используемой в оптико-электронных осциллографах. Использование о птико-механической развертки не позволяет сколь либо угодно улучшить в ременное разрешение, но позволяет осуществить набор двумерных или одно мерных изображений. ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного пучка излучения (т.к. част ота смены кадров гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики про цесса генерации) . Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высо коквалифицированного обслуживания затрудняет использование камер с о птико-механической и электронной. Поэтому использую часто оптический м етод измерения длительности импульса. "Световая" развертка была предложена в 1967 г. Джордмейном при изучении длительности "nс" импульсов при распрост ранении двух одинаковых световых пучков навстречу друг другу в раствор е нелинейно люминесцирующего красителя. В первом эксперименте "стоячая" волна образовывалась путем отражения ос новного пучка "nс" импульсов в зеркале кюветы с красителем. Возле зеркала ( и далее с шагом l=TC/n) плотность энергии прямого и отраженного пучка будет max и з-за совпадения i-го импульса. Левее зеркала на l будут совпадать (i-1) -й импуль с в прямой волне и (i+1) -й импульс - в отраженной. При удалении от зеркала на 2l дв уфотонная люминесценция красителя будет ярче из-за наложения (i-2) и (i+2) -го им пульсов луча. Яркость фонового свечения 2-х фотонной люминесценции B~I^2 инт енсивности, а max яркости возле зеркала: B~(2*I) ^2=4*Ш^2, т.е. заметно выше. Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке Наиболее полная пространственно-энергетическая характеристика лазер ного излучения является диаграмма направленности, т.е. угловое распреде ление энергии или мощности в лазерном пучке. Практичекий интерес предст авляет распределение поля излучения в дальней зоне, когда форма распред еления перестает зависеть от расстояния, превышающее d^2/&, где d - диаметр из лучающей апертуры лазера. На практике используют два понятия расходимости, в первом случае имеют в виду плоский или телесный угол Q или Qs определяющий ширину диаграмму напр авленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения э нергии или мощности, отнесенного к его max значению. Чаще всего значение ур овня принимается равным 0.5 и 1/e^2. Это определение характеризует излучение о дномодового лазера, т.е. распределение, близкое к гауссовому. В случае мно гомодового режима диаграмма имеет многочисленные боковые лепестки, со держащие значительную часть энергии. Поэтому величина расходимости по заданному уровню энергии или мощности, т.е. по существу центрального max ра спределение не очень показательна. В таких случаях более удобной характ еристикой является энергетическая расходимость лазерного излучения . (Qn, p или Qw, s) , т.е. плоский или телесный угол, внутри которого распространяетс я заданная доля энергии излучения. Лазерное излучение характеризуется значением диаметра пучка лазерног о излучения, внутри которого происходит заданная доля энергии или мощно сти. Для практического определения расходимости используют три основных ме тода: 1) Метод 2-х сечений 2) Метод регистрации диаграммы направленности 3) Ме тод фокального пятна Наиболее распространенный метод измерения расход имости пучка метод фокального пятна. Измерение поляризации лазерного пучка В лазерах излучение должно обладать 100% поляризацией (линейной или кругов ой) . Вид поляризации определяется особенностями используемой в лазере а ктивной среды - поляризацией ее спонтанного излучения, и величиной коэфф ициента усиления для элементарных поляризаций. Все "элементарные" состояния поляризации могут быть получены из 2-х линей но поляризованных во взаимно + плоскостях излучений с амплитудой Ax и Ay. Измерение спектральных и корреляционных параметров и характеристик ла зерного излучения Когерентность характеризуется двумя основными параметрами - временной когерентностью - степенью пространственной когерентности 2.1 Влияние па раметров лазера на когерентность его излучения Лазер - прибор, в котором частота генерации зависит от собственных (резонансных) частот резонато ра. К вторичным эффектам, изменяющим частоту генерации лазера оказывают эффекты затягивания или отталкивания. Гораздо сильнее на частоту генер ации лазера влияют параметры активной среды: центральная частота лазер ного перехода, ширина спектральной линии. Измерение лазерных характеристик может быть разделено на 3 группы: 1) Изме рение спектра излучения многомодовых лазеров непрерывного действия и "nc" лазеров 2) Прецизионное измерение длины волны или чаcтоты генерации 3) Из мерение ширины полосы генерации одночастотного лазера или разности ча стот генерации 2-х однотипных частотностабилизированных лазеров. Измерение основных параметров главных компонентов лазера Главные компоненты лазера: активная среда и оптический резонатор. Актив ная среда, преобразующая энергию накачки в когерентное излучение, опред еляет энергетические характеристики лазера и длину волны излучения, а о т резонатора частотные и пространственные. Для измерения потерь или усиления лазерных компонентов используют ком пенсационный метод, для измерения ненасыщенного усиления метод комбин ированных потерь, прямой метод.