Глава 5

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Слово «лазер» - аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света за счет создания стимулированного излечения. Следовательно, лазер или оптический квантовый генератор - это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения. Идея о возможности использования неравновесных квантовых систем была впервые высказана еще в 1951 г. советским физиком В. А. Фабрикантом и его сотрудниками. Практически наименование «лазер» используется не только при генерации электромагнитного излучения видимого диапазона, но и для частот, лежащих в ближнем и дальнем инфракрасном, ультрафиолетовом и даже в рентгеновском диапазонах. Основополагающие работы в области квантовой электроники были отмечены присуждением Нобелевской премии по физике академикам А. М. Прохорову и Н. Г. Басову и американскому ученому Ч. Таунсу.

Лазер как техническое устройство состоит из трех основных элементов: активной среды, системы накачки и соответствующего резонатора. В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные, (на кристаллах или стеклах), газовые, лазеры на красителях, химические, полупроводниковые и др. В качестве резонатора обычно используют плоскопараллельные зеркала, с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда. Накачка, т. е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света, или электрическим разрядом.

Основными техническими характеристиками лазеров являются: длина волны (l), мкм; ширина линии излучения (sl); интенсивность излучения лазеров, определяемая по величине энергии (Ww) или мощности (Ри) выходного пучка и выражаемая в джоулях (Дж) или ваттах (Вт); длительность импульса (t_u) - измеряется в секундах (с); частота повторения импульсов F, измеряемая в герцах (Гц).

Классификация лазеров. В основу классификации лазеров, приведенной в «Санитарных нормах и правилах устройства и эксплуатации лазеров» (1981), положена степень опасности лазерного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры разделены на 4 класса:

класс 1 (безопасные) - выходное излучение не опасно для глаз;

класс 2 (малоопасные) - опасно для глаз прямое или зеркально отраженное излучение;

класс 3 (среднеопасные) - опасно для глаз прямое, зеркально, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности, и (или) для кожи прямое или зеркально отраженное излучение;

класс 4 (высокоопасные) - опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Классификация определяет специфику воздействия излучения на орган зрения и кожу. В качестве ведущих критериев при оценке степени опасности генерируемого лазерного излучения приняты величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиция облучения.

Существует классификация лазеров по физико-техническим параметрам, при этом учитывается агрегатное состояние активного рабочего вещества (твердое, жидкое, газообразное), характер генерации (импульсный, непрерывный), способ накачки активного вещества (оптический, электрический, химический и др.).

Применение лазеров в промышленности и медицине

Лазеры благодаря своим уникальным свойствам (высокая направленность луча, когерентность, монохроматичность) находят исключительно широкое применение в различных областях промышленности, науки, техники, связи, сельском хозяйстве, медицине, биологии и др. Расширение сферы их использования способствует увеличению контингента лиц, подвергающихся воздействию лазерного излучения, и выдвигает широкий круг задач по профилактике опасного и вредного действия этого нового фактора окружающей среды.

В геодезии широко используются различные типы лазерных светодальномеров, в которых применяют твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.

Малое расхождение луча лазеров, возможность фокусировки и создания огромных плотностей энергии позволяют применять их в маркшейдерской практике, строительстве крупных инженерных сооружений, в машиностроении, вычислительной технике, электронике, приборостроении, медицине и т. д. Лазерный луч может использоваться для посадки самолетов.

Газовые гелийнеоновые и аргоновые лазеры, работающие в непрерывном режиме, используют в голографии (объемные изображения предметов), спектроскопии, нелинейной оптике и др.

В метеорологии при контроле загрязнения окружающей среды для увеличения чувствительности лазерных установок применяют лазеры с высокими параметрами излучения и длиной волны любого диапазона оптического излучения.

Важной областью применения лазеров являются биология и медицина, где нередко дозы облучения могут значительно превышать безопасные уровни, так как мощность излучения определяется медицинскими показаниями.

Лазеры используются во многих отраслях народного хозяйства с технологической целью. В лазерной технологии находят применение твердотельные на рубине и неодимовом стекле импульсные лазеры, генерирующие излучение на длине волны 0,69 и 1,06 мкм в режиме свободной генерации, и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм. Первой технологической операцией, выполненной с помощью лазера, было сверление («прожигание», «прошивка») отверстий в сверхтвердых материалах (алмазах). Эта операция получила широкое применение в производствах часовых рубиновых и технологических камней (шлифовка, сверление), алмазных фильер, деталей пресс-форм, форсунок и др.

Возможность концентрации лазерного излучения в пучок малого диаметра позволяет создавать очень высокие значения плотности энергии, необходимые для резания различных высокопрочных материалов - сталей, твердых сплавов, алмазов и др. Для процесса резания используются лазеры на углекислом газе непрерывного действия с выходной мощностью сотни, тысячи ватт и более.

Интенсивно развивается лазерная пайка, точечная и шовная сварка тончайших металлических изделий (светолучевая сварка), различных сочетаний (композиций), материалов и тугоплавких металлов: медь - алюминий, германий - золото, никель - тантал и т. д. Лазером сваривают катоды в радиолампах без нарушения вакуума и строения свариваемых материалов. Для сварки и пайки используются лазеры на рубине, неодимовом стекле, алюмоитриевом гранате, на двуокиси углерода.

Широко применяются СО₂-лазеры для резки листовых материалов в крупномасштабных производствах непрерывного цикла (бумажная, стеклоделательная промышленность).

Условия труда при использовании лазеров

Работа с лазерами в зависимости от конструкции, мощности, условий эксплуатации разнообразных лазерных систем и другого оборудования может сопровождаться воздействием на персонал неблагоприятных производственных факторов, которые разделяют на основные и сопутствующие. К основным факторам, возникающим при работе лазеров, относится прямое, зеркальное, диффузно отраженное и рассеянное излучения, степень выраженности их определяется особенностями технологического процесса. К сопутствующим относится комплекс физических и химических факторов, возникающих при работе лазеров, которые имеют гигиеническое значение и могут усиливать неблагоприятное действие излучения на организм, а в ряде случаев имеют самостоятельное значение. В связи с этим при гигиенической оценке условий труда персонала учитывается весь комплекс факторов производственной среды.

По способу образования неблагоприятные факторы подразделяются на 2 группы. К 1-й группе относятся факторы, возникающие результате собственно работы лазеров; степень выраженности их зависит от физико-технических параметров лазерной установки. Во 2-ю группу включены факторы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с обрабатываемыми материалами или с различными элементами системы по ходу луча (табл. 6).

Образование ряда сопутствующих факторов зависит от мощности излучения конструктивных особенностей лазерных установок, физико-химических свойств обрабатываемых материалов, санитарно-технического оборудования технологических лазерных установок и производственных помещений.

Работа лазерных установок, как правило, сопровождается шумом. На фоне постоянного шума, который может достигать 70 - 80 дБ, имеют место звуковые импульсы с уровнем интенсивности 100 - 120 дБ, возникающие в результате перехода световой энергии в механическую в месте соприкосновения луча с обрабатываемой поверхностью или за счет работы механических затворов лазерных установок. Разряды ламп накачки, а также взаимодействие луча с воздухом сопровождаются выделением озона и окислов азота.

Таблица 6. Производственно-профессиональные факторы при работе с источниками лазерного излучения

Группа	Неблагоприятные факторы	Источники (причина возникновения)
1-я	Лазерное прямое излучение	Лазер (активное тело)
	Импульсные световые вспышки	Излучение импульсных ламп накачка
	УФ-излучение	Излучение импульсных ламп накачки: кварцевые газоразрядные трубки и кюветы
	Озон и оксиды азота	Ионизация воздуха при разрядке импульсных ламп накачки
	Шум	Работа вспомогательных элементов лазерной установки
	Мягкое рентгеновское излучение	Рабочее напряжение лазера свыше 10 кВ
	Электромагнитные поля радиочастот	ВЧ - и УВЧ-накачка
	Агрессивные и токсические жидкости	Активная среда, охлаждающие жидкости
2-я	Диффузно и зеркально отражённое лазерное излучение	Взаимодействие лазерного луча с различными элементами по ходу луча
	Рассеянное лазерное излучение	Взаимодействие лазерного луча с неоднородными средами
	Световые вспышки	Излучение плазменного факела
	Импульсный шум	Звуковые импульсы в результате взаимодействия импульсного лазерного луча с обрабатываемым материалом
	Загрязнение воздушной среды аэрозолями и газами	Продукты деструкции обрабатываемых лазерным лучом материалов
	Электрические поля высокой интенсивности, высокотемпературная плазма, являющаяся источником кратковременного рентгеновского и нейтронного излучения (в фокусе лазерного луча)	Взаимодействие особо мощного лазерного излучения с обрабатываемым веществом

Биологическое действие лазерного излучения

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности и энергии излучения на единицу облучаемой поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты следования импульсов, времени облучения, площади облучаемой поверхности), локализации воздействия и от анатомо-физиологических особенностей облучаемых объектов.

В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения. Энергия излучения лазеров в биологических объектах (ткань, орган) может претерпевать различные превращения и вызывать органические изменения в облучаемых тканях (первичные эффекты) и неспецифические изменения, функционального характера (вторичные эффекты).

Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм, зависят от энергетической экспозиции в импульсе или энергетической освещенности, длины волны излучения, длительности импульса, частоты повторения импульсов, экспозиции воздействия и площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Лазерное излучение способно вызывать первичные эффекты, к которым относятся органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых тканях, и вторичные эффекты - неспецифические изменения, возникающие в организме в ответ на облучение.

Термический эффект импульсных лазеров большой интенсивности имеет специфические особенности. При действии излучения импульсного лазера в облучаемых тканях происходит быстрый нагрев структур. Причем, если излучение соответствует режиму свободной генерации, то за время импульса (длительность в пределах 1 мс) тепловая энергия вызывает термический ожог тканей. Лазеры, работающие в режиме модулированной добротности (с укороченным импульсом), излучают энергию за весьма короткое время (длительность импульса 1*10^-7 – 1*10^-12 с).

В результате быстрого нагрева структур до высоких температур происходит резкое повышение давления в облучаемых тканевых элементах, что приводит к механическому повреждению тканей. Например, в момент воздействия на глаз или на кожу импульс излучения субъективно ощущается как точечный удар. С увеличением энергии в импульсе излучения ударная волна возрастает.

Таким образом, лазерное излучение приводит к сочетанному термическому и механическому действию.

Влияние излучения лазера орган зрения. Эффект воздействия лазерного излучения на орган зрения в значительной степени зависит от длины волны и локализации воздействия. Выраженность морфологических изменений и клиническая картина расстройств функций зрения может быть от полной потери зрения (слепота) до инструментально выявляемых функциональных нарушений.

Лазерное излучение видимой и ближней ИК области спектра при попадании в орган зрения достигает сетчатки, а излучение ультрафиолетовой и дальней ИК областей спектра поглощается конъюнктивой, роговицей, хрусталиком.

Действие лазерного излучения на кожу. При применении лазеров большой, мощности и расширении их практического использования возросла опасность случайного повреждения не только органа зрения, но и кожных покровов и даже внутренних органов. Характер повреждений кожи или слизистых оболочек варьирует от легкой гиперемии до различной степени ожогов, вплоть до грубых патологических изменений типа некроза.

Различают 4 степени поражения кожи лазерным излучением:

I степень – ожоги эпидермиса: эритема, десквамация эпителия;

II – ожоги дермы: пузыри, деструкция поверхностных слоев дермы;

III - ожоги дермы: деструкция дермы до глубоких слоев;

IV - деструкция всей толщи кожи, подкожной клетчатки и подлежащих слоев.

Действие лазерных излучений наряду с морфофункциональными изменениями тканей непосредственно в месте облучения вызывает разнообразные функциональные сдвиги в организме. В частности, развиваются изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной системах, которые могут приводить к нарушению здоровья. Биологический эффект воздействия лазерного излучения усиливается при неоднократных воздействиях и при комбинациях с другими факторами производственной среды.

Предельно допустимые уровни облучения

Предельно допустимые уровни регламентированы «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров» № 2392 - 81, которые позволяют разрабатывать мероприятия по обеспечению безопасных условий труда при работе с лазерами и осуществлять текущий и предупредительный санитарный надзор. Санитарные нормы и правила позволяют определять величины ПДУ для каждого режима работы, участка оптического диапазона по специальным формулам и таблицам. Нормируется энергетическая экспозиция облучаемых тканей. Для лазерного излучения видимой области спектра для глаз учитывается также и угловой размер источника излучения.

Предельно допустимые уровни облучения дифференцированы с учётом режима работы лазеров - непрерывный режим, моноимпульсный, импульсно-периодический.

Профилактические мероприятия

Для гигиенической оценки условий труда и вредных производственных факторов при работе с источниками лазерного излучения следует руководствоваться нормативными документами, регламентирующими величину ПДК или ПДУ соответствующих факторов.

Основными законодательными документами при оценке условий труда с оптическими квантовыми генераторами являются: «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров», № 2392 - 81; методические рекомендации «Гигиена труда при работе с лазерами», утвержденные МЗ РСФСР 27.04.81 г.; ГОСТ 24713 - 81 «Методы измерений параметров лазерного излучения. Классификация»; ГОСТ 24714 - 81 «Лазеры. Методы измерения параметров излучения. Общие положения»; ГОСТ 12.1.040 - 83 «Лазерная безопасность. Общие положения»; ГОСТ 12.1.031 - 81 «ССБ. Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения».

Предупреждение поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного, организационного, санитарно-гигиенического характера.

При использовании лазеров II - III классов в целях исключения облучения персонала необходимо либо ограждение лазерной зоны, либо экранирование пучка излучения. Экраны и ограждения должны изготавливаться из материалов с наименьшим коэффициентом отражения, быть огнестойкими и не выделять токсических веществ при воздействии на них лазерного излучения.

Лазерь IV класса опасности размещаются в отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным управлением их работой.

При размещении в одном помещении нескольких лазеров следует исключить возможность взаимного облучения операторов, работающих на различных установках. Не допускаются в помещения, где размещены лазеры, лица, не имеющие отношения к их эксплуатации. Запрещается визуальная юстировка лазеров без средств защиты.

Для удаления возможных токсических газов, паров и пыли оборудуется приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением. Для защиты от шума принимаются соответствующие меры звукоизоляции установок, звукопоглощения и др.

К индивидуальным средствам защиты, обеспечивающим безопасные условия труда при работе с лазерами, относятся специальные очки, щитки, маски, обеспечивающие снижение облучения глаз до ПДУ.

Средства индивидуальной защиты применяются только в том случае, когда коллективные средства защиты не позволяют обеспечить требования санитарных правил.

Работы, связанные с обслуживанием лазерных установок, относятся к работам с вредными условиями труда. В соответствии с приказом МЗ СССР № 700 от 19.06.84 г. работающие подлежат предварительным и периодическим (1 раз в год) медицинским осмотрам с участием терапевта, невропатолога, окулиста.