Инфракрасные излучатели и их воздействие на организм. Лазерное излучение - красный и зеленый лазер, безопасность лазеров Потенциальный вред глазу

Инфракрасные (ИК) лучи – это электромагнитные волны. Человеческий глаз не способен воспринимать это излучение, но человек воспринимает его как тепловую энергию и ощущает всей кожей. Нас постоянно окружают источники ИК излучения, которые отличаются интенсивностью и длиной волн.

Стоит ли опасаться инфракрасных лучей, вред или пользу приносят они человеку и в чем заключается их воздействие?

Что же такое ИК-излучение, его источники

Как известно, спектр солнечного излучения, воспринимаемый глазом человека как видимый цвет, находится между фиолетовыми волнами (самые короткие – 0, 38 мкм) и красными (самыми длинными – 0,76 мкм). Помимо этих волн, существуют электромагнитные волны, не доступные для человеческого глаза – ультрафиолетовые и инфракрасные. «Ультра» обозначает, что они находятся ниже или, другими словами, меньше фиолетового излучения. «Инфра», соответственно, – выше или больше красного излучения.

То есть, ИК-излучение – это электромагнитные волны, лежащие за диапазоном красного цвета, длина которых больше, чем у видимого красного излучения. Исследуя электромагнитные излучения, немецкий астроном Уильям Гершель обнаружил невидимые волны, которые вызывали повышение температуры термометра, и назвал их инфракрасным тепловым излучением.

Естественным мощнейшим источником теплового излучения является Солнце. Из всех излучаемых светилом лучей 58% приходится именно на долю инфракрасных. Искусственными источниками служат все электронагревательные приборы, преображающие электроэнергию в тепло, а так же любые предметы, температура которых выше абсолютной нулевой отметки – 273оС.

Свойства инфракрасного излучения

ИК-излучение имеет ту же природу и свойства, что и обычный свет, только большую длину волны. Видимые глазу световые волны, достигая предметов, отражаются, преломляясь определенным образом, и человек видит отражение предмета в широкой цветовой гамме. А инфракрасные лучи, достигая предмета, поглощаются им, выделяя энергию и нагревая этот предмет. ИК-излучение мы не видим, но осязаем его как тепло.

Другими словами, если бы Солнце не выделяло широкий спектр длинноволновых инфракрасных лучей, человек только бы видел солнечный свет, но не ощущал его тепло.

Трудно представить жизнь на Земле без солнечного тепла.

Некоторая часть его поглощается атмосферой, а доходящие до нас волны делятся на:

Короткие – длина лежит в диапазоне 0,74 мкм – 2,5 мкм, а источают их предметы, нагретые до температуры более 800оС;

Средние – от 2,5 мкм до 50 мкм, t нагревания от 300 до 600ос;

Длинные – самый широкий диапазон от 50 мкм до 2000 мкм (2 мм), t до 300оС.

Свойства инфракрасного излучение, его польза и вред для человеческого организма, обусловлены источником излучения – чем выше температура излучателя, тем интенсивнее волны и глубже их проникающая способность, степень воздействие на любые живые организмы. Исследования, проведенные на клеточном материале растений и животных, обнаружили целый ряд полезных свойств ИК лучей, что нашло широкое применение их в медицине.

Польза ИК-излучения для человека, применение в медицине

Медицинские исследования доказали, что для человека не только безопасны, но и очень полезны ИК лучи, находящиеся в длинном диапазоне. Они активизируют кровоток и улучшают процессы обмена, подавляют развитие бактерий и способствуют быстрому заживлению ран после операционных вмешательств. Способствуют вырабатыванию иммунитета против ядовитых химических веществ и гамма-излучения, стимулируют выведение токсинов, шлаков через пот и мочу и понижению холестерина.

Особенно эффективными являются лучи длиной 9,6 мкм, которые способствуют регенерации (восстановлению) и оздоровлению органов и систем человеческого организма.

В народной медицине испокон веков применялось лечение нагретой глиной, песком или солью – это яркие примеры благотворного воздействия тепловых ИК лучей на человека.

Современная медицина для лечения ряда заболеваний научилась использовать полезные свойства:

При помощи инфракрасного излучения можно лечить переломы костей, патологические изменения в суставах, ослаблять мышечные боли;

ИК лучи оказывают положительный эффект при лечении парализованных больных;

Быстро заживляют раны (послеоперационные и другие), снимают болевые ощущения;

За счет стимуляции кровообращения помогают нормализовать артериальное давление;

Улучшают кровообращение в мозгу и память;

Выводят из организма соли тяжелых металлов;

Имеют выраженный противомикробный, противовоспалительный и противогрибковый эффект;

Укрепляют иммунную систему.

Бронхиальная астма, пневмония, остеохондроз, артрит, мочекаменная болезнь, пролежни, язвы, радикулит, обморожение, заболевания органов пищеварения – далеко не полный список патологий, для лечения которых используется положительное влияние ИК-излучения.

Отопление жилых помещений при помощи приборов ИК-излучения способствует ионизированию воздуха, борется с проявлениями аллергии, уничтожает бактерии, плесневые грибки, улучшает состояние кожных покровов благодаря активизации циркуляции крови. Приобретая обогреватель, обязательно необходимо выбирать длинноволновые приборы.

Другие сферы применения

Свойство предметов излучать тепловые волны нашло применение в различных областях человеческой деятельности. Например, при помощи специальных термографических камер, способных улавливать тепловое излучение, в абсолютной темноте можно увидеть и распознать любые предметы. Термографические камеры широко используются в военном деле и промышленности для обнаружения невидимых предметов.

В метеорологии и астрологии ИК лучи используются для определения расстояний до предметов, облаков, температуры поверхности воды и т.д., инфракрасные телескопы позволяют изучать космические объекты, недоступные для видения через обычные приборы.

Наука не стоит на месте и число ИК приборов и сфер их применения постоянно растет.

Вред

Человек, как и любое тело, излучает средние и длинные инфракрасные волны, которые лежат в диапазоне длиной от 2,5 мкм до 20-25 мкм, поэтому именно волны такой длины полностью безопасны для человека. Короткие волны способны глубоко проникать в ткани человека, провоцируя нагревание внутренних органов.

Коротковолновое инфракрасное излучение не только вредно, но и очень опасно для человека, особенно для зрительных органов.

Солнечный тепловой удар, провоцируемый короткими волнами, происходит при нагревании головного мозга всего на 1С. Его симптомами являются:

Сильное головокружение;

Тошнота;

Учащение пульса;

Потеря сознания.

Металлурги и сталевары, постоянно подвергающиеся тепловому воздействию коротких ИК лучей, чаще других подвергаются заболеваниям сердечно — сосудистой системы, имеют ослабленный иммунитет, чаще подвергаются простудным заболеваниям.

Чтобы избежать вредного воздействия инфракрасного излучения, необходимо принимать защитные меры и ограничивать время пребывания под опасными лучами. А вот польза теплового солнечного излучения для жизни на нашей планете – неоспорима!

Наверняка многие знают, что ультрафиолет способен устроить для вашей кожи двоякую ситуацию. Он может ровно нанести на тело то, что мы называем загаром (иными словами, оказать воздействие на меланин под нашей кожей), а может и нанести серьёзный ожог.

Ультрафиолетовый свет – мощнейшее излучение от главной и единственной нашей системы – Солнечной, сейчас это знает каждый школьник. То, что мы видим как солнечные лучи на самом деле просто свет от звезды, долетающий до нас сквозь невероятное расстояние.

Ультрафиолетовые невидимые для нас волны просто остаются за пределами спектра, который доступен человеческому глазу.

Это всего лишь остатки энергии, которая долетает к нам от Солнца сквозь расстояние до Земли (а это 149 600 000 км) и преодолевает главную защиту планеты – озоновый слой.

То, что мы можем чувствовать на своей коже – крохотные частицы того невероятного количества тепла, которое звезда выделяет ежесекундно. Про озоновый слой вы могли слышать из экологических телепрограмм и прочего подобного материала и не зря.

Если бы озонового слоя не существовало, всё живое на Земле практически моментально умерло бы от мощнейшего потока радиации. Да, ультрафиолет радиоактивен и в больших дозах может нанести вред вплоть до летального исхода.

Ультрафиолетовый диапазон излучения находится между видимыми нам лучами (именно фиолетовой границей нашего светового зрения) и рентгеновским излучением.

Именно поэтому этот тип электромагнитных лучей получил своё название – ultraviolet, от лат. ultra (сверх чего-то, за пределами чего-то) и violet (фиолетовый с англ.).

Ультрафиолетовый свет обладает также и разной длиной волны – от 400 до 100 нм. Длина волны важна – она влияет на живые организмы с силой, прямо пропорциональной дальности.

Длина волны усф в 280-200 нм оказывает самое сильное влияние на живые организмы, например, ткани органов. На микроорганизмы действует как бактерицидное излучение, полностью уничтожая.

Кто открыл ультрафиолет?

Подозрения о том, что невидимые спектры света существуют, бродили среди величайших умов человечества очень давно. Учёные того времени не могли объяснить явление, но строили очень многообещающие догадки, которые и подвели современных учёных к открытию в чистом виде.

Открытие произошло вскоре после обнаружения человечеством инфракрасного излучения. Примерно в это время немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал проводить исследования в области противоположной части спектра, с лучами за пределом фиолетового.

Девятнадцатый век только-только начался, люди ещё очень многое не знали про свет и то, что он из себя представляет, не говоря уже о том, что такое ультрафиолетовое излучение.

Всё познавалось путём эксперимента, редкими контактами с коллегами из других стран и долгим путём проб и ошибок. Таким же путём пошёл и Риттер.

Он задумал интересный эксперимент, который осуществил в своих исследованиях с помощью хлорида серебра. Облучая его разными частями спектра, он заметил, что окисление вещества происходит с разной скоростью.

Каждый участок спектра оказывал разное влияние, но один показатель очень явно выделялся среди прочих – быстрее всего серебро темнело за пределами фиолетовой части, а точнее перед ней.

Несмотря на то, что даже знания про диапазон длин волн тогда были довольно размыты, учёные почерпнули из этого вывод, изменивший физику навсегда.

В результате долгих дискуссий и обсуждений, вывод был дан общественности довольно чётко.

Учёные сошлись на том, что свет можно поделить на три условные, строго отдельные части:

1. видимый свет (виден человеческому глазу);
2. инфракрасное излучение (невидимые лучи, дающие эффект тепла и отвечающие за окисление);
3. ультрафиолетовые лучи (восстанавливающие).

Разумеется, тогда никто не мог знать влияние ультрафиолетовой волны на человеческую кожу, а также все сферы, в которых человек будет использовать это излучение в будущем.

Тем не менее, исследования продолжались и продолжаются в наши дни, а ультрафиолет постоянно удивляет учёных какими-то новыми свойствами и возможностями его применения.

Польза ультрафиолета для человека

С каждым годом человечество обнаруживало всё новые и новые способы использовать это удивительное излучение.

Одним из самых известных и знакомых каждому, кто имел несчастье длительное время лежать в больнице, является кварцевание – облучение больничного помещения ультрафиолетом с целью полной стерилизации комнаты от микроорганизмов.

Хоть метод и давний, но до сих пор применяется — многие больничные палаты до сих пор оборудованы специальными лампами, излучающими ультрафиолетовые лучи.

Все люди, включая персонал, покидают помещение на время кварцевания, так как лучи ультрафиолета достаточной мощности для бактерицидного эффекта обязательно навредят человеку.

Оказавшийся даже ненадолго под эффектом такой лампы человек почувствует гул в ушах, повышенное давление, его будут преследовать специфический запах и головная боль.

Ультрафиолетовое (уфс) излучение используется также и в обеззараживании воды. Наряду с хлором, который используется больше в промышленных целях, а не для воды, которая потом должна попасть в дома людей, ультрафиолет не только помогает очистить воду, а и устраняет последствия хлорирования и озонирования воды – чрезмерную жёсткость, химический осадок.

Наиболее популярен при очистке воды для промышленных нужд, для заводов и бассейнов – спектр ультрафиолетового излучения таков, что вреда человеку такая очистка не нанесёт.

Тот же хлор гораздо опаснее – если, например, в бассейне не рассчитать пропорции вещества к воде, хлорка легко может нанести вам слабые, но ощутимые мелкие ожоги кожного покрова.

«Отличился» ультрафиолет и в сфере анализа окружающей среды. Его, как и любое излучение, можно использовать для исследования веществ. Особенно эффект виден на минералах – при облучении горные породы и камни начинают светиться, причём каждый по-разному.

Последствий такого облучения нет, а особенная реакция каждого минерала на ультрафиолетовые лучи очень пригодилась геологам. Сейчас, просвечивая насквозь целые пласты горных пород, можно с почти абсолютной уверенностью «узнать» тот или иной камень.

Рентгеновские и также используются геологами для таких анализов, но с удивительной эффективностью ультрафиолета соперничать непросто.

Ну и, пожалуй, самая известная сейчас сфера применения таких лучей. Это, как ни странно, сфера косметологии.

Человечество давно задумалось – если ультрафиолет в солнечных лучах (а именно Солнце – основной источник космического ультрафиолета для нас) вызывает загар на человеческой коже.

То почему бы не создать искусственный источник и получать такой эффект круглый год, а не только в пляжные сезоны, когда принятие солнечных ванн возможно?

Действие уфс на кожу крайне простое и механическое – лучи действуют на наш человеческий пигмент (меланин), который просто защищается, темнея в процессе – это объясняет заодно и причину исчезновения загара со временем.

Сделать искусственный источник у нас получилось – сейчас это сверхсовременные солярии с щадящими лампами. Практически полностью безопасные для людей с любым типом кожи, а ультрафиолет в них используется легко и без всяких опасений.

Никто не застрахован от того, чтобы нанести слишком сильный загар или испортить ровный тон, но получить ожоги в салоне солярия не выйдет – техника безопасности не позволит.

Опасность ультрафиолета для кожи

Кстати, о безопасности. В малых количествах ультрафиолет под открытым небом не может причинить вреда серьёзнее, чем обгоревшая кожа, даже если вы будете находиться в воде.

Но мы говорим о стандартной для человека дозе облучения, а есть люди, вольно или невольно получающие избыток ультрафиолетовых лучей гораздо чаще, чем несколько раз в год.

Это грозит, к сожалению, не только перманентным загаром. Лучи действуют на кожу не лучшим образом, иногда образуя или усиливая уже имеющуюся меланому – проще говоря, рак кожи.

Меланомы бывают нескольких видов, но все они относятся к злокачественным опухолям. Причём неважно, где вы загораете – как космический солнечный, так и искусственный ультрафиолет, который применяется в соляриях, подействует одинаково.

Риск получить меланому невелик, но при наличии других раковых заболеваний ранее, ультрафиолетовое излучение увеличивает шанс на рецидив, что доказано.

Меланома – худший из вариантов и шансы на неё малы. Но злоупотребляя солнечными ваннами, вы получите ещё несколько неприятных сюрпризов.

Это всем нам известные с детства ожоги кожи, после которых верхний слой эпидермиса сползает клочьями. Большую вероятность преждевременного старения кожи из-за того же меланина, который попросту не выдержит такой нагрузки.

И если от ожогов вы избавитесь, так как везде уже используют специальные крема для лечения и профилактики солнечных ожогов, то обратить старение вспять вряд ли выйдет.

Ещё одно гениальное человеческое изобретение – солнечные очки, были придуманы также в попытках борьбы с излишками ультрафиолета, ведь для человеческого глаза эти лучи тоже очень вредны.

Вредоносное действие будет того же типа – ожог, но только главного барьера глаза, сетчатки. Это тяжёлая травма, целостность сетчатки очень трудно и дорого восстанавливать.

Что примечательно, при замене сетчатки некоторые пациенты начинали буквально видеть ультрафиолетовое излучение в виде слабого лилового свечения, и в новых моделях стремительно развивающихся имплантатов такой ошибки уже нет.

Защитить глаз от лучей можно только прямой «заслонкой», роль которой и выполняет стекло очков – его главная функция состоит именно в этом, а не в улучшении вашей видимости в солнечный день.

Удивительно, но из своего врага мы медленно, но верно превратили ультрафиолет в условного друга. Мы используем для решения бытовых проблем излучение, которое при любой более-менее серьёзной бреши в озоновом слое может с лёгкостью стать причиной апокалипсиса.

Мы научились обращаться с ним с осторожностью и знаем его основные тайны, но это совершенно не значит, что он для нас более не опасен.

Прежде всего, всё зависит от самих людей – пока технологии не развиты настолько, чтобы полностью избавлять нас от последствий космических излучений, следует быть крайне осторожными и остерегаться ожогов, особенно с такими последствиями.

Лазер – оптический квантовый генератор, а само слово является аббревиатурой слов английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света в результате вынужденного усиления. Нам кажется, что свет (например, от лампы) непрерывен, но на самом деле он состоит из множества фотонов со случайной длиной волны и случайной фазой. Это приводит к тому, что излучение, образуемое этими фотонами, распространятся в разные стороны, в результате чего оно имеет незначительную интенсивность, убывающую в пространстве, и свет является “белым”, т.е. в нем присутствуют самые различные волны. К особенностям же лазерного излучения можно отнести его интенсивность, направленность, когерентность и узкий диапазон длин волн.

1. Интенсивность. Свет от обычной лампы рассеивается в большой области пространства, и его интенсивность убывает, по мере удаления от источника излучения. Лазерный же луч так сильно сфокусирован, что значительное количество фотонов одновременно попадает в незначительную по размерам точку. И поскольку сечение лазерного луча очень мало, в этой области концентрируется огромная энергия. Таким образом, даже незначительный по мощности источник света создает высочайшую плотность энергии в малом объеме пространства, а, значит, луч лазера обладает высокой интенсивностью.

2. Направленность. Направленность лазерного луча создается оптической системой, точнее сказать двумя зеркалам, образующими оптический канал. Чаще всего в лазерах имеется два зеркала: полностью отражающее и полупрозрачное, между которыми находится источник света и возбужденная среда. Лазерный луч проходит через возбужденную среду лазера, его амплитуда увеличивается при сохранении синфазности излучения, попадает на полностью отражающее зеркало и меняет свое направление на обратное. Отраженный луч снова проходит через возбужденную среду, еще больше усиливаясь. Далее попадает на полупрозрачное зеркало, и так как интенсивность луча пока еще незначительная, отражается от полупрозрачного зеркала, снова проходит через возбужденную среду и т.д. Когда луч будет достаточно усилен, и его мощность станет высокой, полупрозрачное зеркало пропускает луч наружу, после чего он может проходить значительные расстояния без особой потери энергии, так как лучи являются практически параллельными.

Особенности лазерного излучения приводят к тому, что луч лазера поособому воздействует на сетчатку человеческого глаза. Вся энергия лазерного луча фокусируется в одну точку , в то время как свет от обычного некогерентного источника воздействует на относительно большую площадь сетчатки. Поэтому источник лазерного излучения с мощностью в десяток милливатт может привести к разрушению сетчатки и полной потере зрения, в то время как свет от лампы мощность в сотню Ватт (в тысячу раз мощнее лазерного источника) спокойно переносится человеком.

В современной электронной технике применяются в основном полупроводниковые лазеры. Их световой поток может быстро переключаться с высокой частотой без прекращения вынужденного излучения, что делает их пригодными и особенно удобными для применения в средствах связи, в средствах считывания информации и в печатающих устройствах. Все эти области применения лазеров характеризуются высокими частотами повторения световых импульсов.

В принципе, лазеры применяются в самых различных отраслях человеческой деятельности: медицине, электронике, металлургии, телекоммуникациях, в военной области. Каждая область применения лазера накладывает свои отпечатки на требуемые характеристики и параметры лазерных излучателей. Ввиду того, что физические особенности лазерного излучения приводят к возникновению опасности получения человеком травм различной тяжести, разнообразные правительственные агентства, службы сертификации и санитарного контроля разрабатывают системы классификации и нормативы безопасности при работе с лазерами.

Наиболее известной и чаще используемой является классификация, состоящая из четырех классов безопасности лазерных систем.

Класс безопасности I (лазеры сверхмалой мощности). Лазеры этого класса считаются полностью безопасными для человека. К этому классу относятся лазеры и лазерные системы, которые ни при каких условиях облучения, присущих данному лазерному прибору, не могут излучать световой поток c уровнем, превышающим предельные величины облучения для глаз, т.е. лазерные системы класса I не могут причинить вреда человеку. К этому классу относятся лазеры мощностью менее 0.39 мВт. Но стоит обратить внимание на то, что приборам класса безопасности I могут соответствовать изделия, в которых используются лазеры с большей мощностью. В этом случае более опасный лазер размещают в защитном корпусе, который проектируется таким образом, что опасное излучение ни при каких условиях не должно выйти за пределы этого корпуса. Так, например, если просмотреть руководство пользователя или технические характеристики лазерных принтеров, можно найти ссылку, что данное изделие (лазерный принтер) относится к устройствам класса I. В то же самое время при описании характеристик блока лазера указывается, что данное изделии соответствует классу IIIB. Вот такое противоречие, которое объясняется довольно легко. Сам лазер относится в группе IIIB, а весь блок лазера к группе I. Это возможно, так как лазер находится внутри модуля и закрыт различными блокировочными крышками. Однако во время проведения ремонтных работ крышки блока лазера могут быть удалены, что приводит к возможности облучения сервисного инженера лазером класса IIIB, что может привести к определенным травмам. Подавляющее большинство разработчиков устройств на основе лазеров проектируют свои изделия таким образом, чтобы они относились к классу I. Но при ремонте, когда специалисты, производящие работы получают доступ непосредственно к лазеру, вся безопасность системы нарушается, и устройство смело можно относить уже к другой, более опасной, группе.

Класс безопасности II (лазеры малой мощности). Лазеры и лазерные системы этого класса должны генерировать видимый лазерный луч, слишком яркий для того, чтобы можно было смотреть на него (пусть даже короткий период времени). Не считается опасным мгновенный взгляд на луч. Если луч лазера этого класса попадает в глаз, то, быстро закрыв глаз, можно избежать любого, даже малейшего повреждения зрения. Мощность лазеров этого класса составляет менее 1 мВт. Как правило, при попадании лазерного луча в глаз человек инстинктивно стремится закрыть глаза, что в случае лазеров класса II защитит от травм. Однако если намеренно продолжать смотреть на лазер, то луч класса безопасности II может вызвать повреждение зрения (обычно временное).

Хочется сказать, что большинство лазерных указок, свободно продаваемых на прилавках детских игрушек относится именно к лазерам этого класса. Так что стоит присматривать за детьми, играющими с такими далеко не безопасными игрушками.

Класс безопасности III (лазеры средней мощности). Лазеры и лазерные системы этого класса могут излучать любые длины волн, но не могут создавать опасное рассеянное отражение (отражение во многих направлениях), если только они не сфокусированы или их действие не наблюдается в течение продолжительного времени в ограниченной области. Эти лазеры и лазерные системы не считаются пожароопасными и не опасны для кожного покрова человека. Мощность лазеров класса III составляет менее 0.5 Вт. Смотреть прямо на луч опасно

Класс безопасности III разделяется на два подкласса: IIIA IIIB. К подклассу IIIA относятся лазеры и лазерные системы, которые при обычных условиях не представляют опасности, если смотреть на них без защиты только мгновенно. Они могут представлять опасность, если смотреть не них через оптические фокусирующие системы. К подклассу IIIB относятся лазеры и лазерные системы, которые могут вызвать травмирование зрения при прямом взгляде на луч. Травму может вызвать и направленное отражение луча, например от зеркала. Как уже говорилось выше, подавляющее большинство лазеров для лазерных принтеров относится именно к этому классу безопасности.

Класс безопасности IV (лазеры большой мощности). Лазеры этого класса создают прямую опасность здоровью человека как при направленном, так и при рассеянном отражении луча. Кроме того, лазеры этого класса могут быть пожароопасными и могут вызывать ожоги кожного покрова человека. Мощность лазеров каждого класса представлена в итоговой таблице 1.

Таблица 1

Меры безопасности включают наличие предупреждающих знаков, меры защиты и обучение технике безопасности при работе с лазерами. Такие правила требуют наличия предупреждающих знаков и надписей на самом оборудовании, представляющем определенную опасность. Предупреждающие знаки должны быть продублированы и в технической документации, описывающей процедуры ремонта и настройки лазерных систем.

В иностранных руководствах по работе с лазерными устройствами сервисным инженерам рекомендуется придерживаться следующих правил и положений.

1. Проводить техническое обслуживание оборудования, содержащего лазерную систему должны только специалисты, прошедшие обучение по курсу техники безопасности при работе с лазерами.

2. Ремонт и регулировка лазерной системы должны производиться строго в соответствии с процедурами, приведенными в документации и в руководстве по обслуживанию.

3. При работе сервисный инженер не должен отключать различные блокировки и защиты, предусмотренные конструкцией аппарата.

4. Сервисный инженер при работе не должен пользоваться зеркалами, оптическими приборами и инструментами с отражающей поверхностью.

5. Желательно все работы по ремонту (или их большую часть) осуществлять при выключенном питании аппарата.

6. Никто не должен смотреть прямо в лазерный луч или на предмет, его отражающий.

7. Сервисный инженер не должен допускать выхода луча лазера из ремонтируемого устройства.

8. Сервисный инженер должен быть уверен, что никто не смотрит прямо в лазерный луч.

9. Если представитель обслуживающей организации узнает, что кто-либо мог получить облучение лазером (прямым лучом или отраженным), то он должен незамедлительно проинформировать об этом руководство обслуживающей организации. При этом руководитель организации должен будет составить протокол происшествия, в котором будут отражены все детали подобного ЧП.

Рис. 1.

Предупреждающий знак «DANGER» (Опасно) (рис.1а) красного цвета указывает на то, что лазерный луч может повредить зрение при попадании его в глаз непосредственно, через оптические приборы или при отражении. Предупреждающий знак «CAUTION» (Предостережение) (рис.1б) желтого цвета указывает, что при попадании лазерного луча в глаза немедленное закрывание глаз защитит от повреждения зрения. Большинство лазерных систем имеет возможность регулировки выходной мощности лазера. При этом регулировочные элементы (обычно переменные резисторы) размещают таким образом, чтобы регулировки можно было проводить без снятия крышек блока лазера. Этим также пытаются достигнуть большей защиты сервисного инженера при проведении работ по техническому обслуживанию.

Когда лазеры только стали появляться в лабораториях, как сами приборы, так и их приложения были настолько специальными, что вопрос о безопасности работы с лазерными излучателями вставал перед весьма ограниченным кругом исследователей и инженеров и не был предметом общего обсуждения. Сейчас, когда использование лазеров в научных лабораториях и промышленных предприятиях стало обычным делом, а применение лазеров в повседневной жизни значительно расширилось, исследователи просто обязаны решить вопрос о безопасности работы с этими устройствами. Лазеры стали неотъемлемым компонентом многих современных методов оптической микроскопии, и, в составе сложных оптических систем, они могут представлять серьезную угрозу при несоблюдении мер безопасности.

Рис.1. Анатомия человеческого глаза

Две главных составляющих опасности при работе с лазерными источниками - это облучение лазерным лучом и поражение током, связанное с высокими напряжениями в самом лазере и в источнике питания. Хотя смертельные случаи в результате облучения лазерным лучом неизвестны, есть несколько примеров смертельных исходов при контакте с компонентами лазера под высоким напряжением. Лучи достаточно высокой мощности могут вызвать ожоги кожи или, в некоторых случаях, привести к возгоранию или повреждению каких-либо материалов, но главной опасностью лазерного луча является возможность повреждения глаз, как наиболее чувствительного к свету органа. Многими государственными и другими организациями разработаны стандарты безопасности при работе с лазерами; некоторые из них носят обязательный, а некоторые рекомендательный характер. Большинство требований стандартов безопасности, закрепленных законом, относится к производителям лазеров, хотя конечный потребитель должен быть больше всех заинтересован в безопасной работе - предупреждении возможных повреждений или даже смерти.

Вред глазу может быть нанесен мгновенно, поэтому, чтобы минимизировать риск, меры предосторожности необходимо принимать заранее, так как в последний момент может быть уже поздно. Лазерное излучение подобно солнечному свету в том смысле, что оно тоже падает на глаз параллельными лучами, которые очень эффективно фокусируются на сетчатке, внутренней оболочке глаза, чувствительной к свету. На рисунке 1 представлено общее анатомическое строение человеческого глаза, с выделением структур особенно чувствительных к интенсивному излучению. Потенциальная опасность для глаз зависит от длины волны лазерного излучения, интенсивности пучка, расстоянию от излучателя до глаза и мощности лазера (как среднего значения мощности при непрерывной генерации импульсов, так и пиковой мощности при импульсном излучении). Длина волны имеет очень большое значение, потому что только излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров может попасть в гла и значительно повредить сетчатку. Свет в ближнем УФ-диапазоне может повредить слои, близкие к поверхности глаза, и привести к развитию катаракты, особенно у молодых людей, глазная ткань которых более прозрачна для света этих длин волн. Свет ближней ИК-области также может повредить поверхность глаза, хотя и с более высоким порогом повреждения (лучевой стойкости), чем ультрафиолет.

Реакция человеческого глаза на разные длины волн не одинакова и это определяет, наряду с другими факторами, описанными ниже, потенциальный вред глазу. Воздействие импульсных лазеров отличается от воздействия лазеров с непрерывным излучением. На практике, лазеры, работающие в импульсном режиме, имеют большую мощность, и единичный микросекундный импульс достаточной мощности может нанести серьезное повреждение при попадании в глаз, тогда как менее мощное непрерывное излучение может повредить глаз только при длительном облучении. Спектральная область особой важности - это опасный для сетчатки диапазон, который располагается между 400 (фиолетовый цвет) и 1400 нанометрами (ближняя ИК-область спектра), включая всю видимую область спектра электромагнитного излучения. Опасность повреждения светом этих длин волн усиливается возможностью глазной фокусировки, когда направленный свет собирается глазом на сетчатке в очень маленькое пятно, с очень высокой концентрацией мощности на единицу площади.

Классификация лазеров

Среди множества стандартов безопасности, разработанных для работы с лазерами, как государственными, так и другими организациями, основополагающим в США являются стандарты Z136 серии, принятые Американским национальным институтом стандартизации (ANSI). Стандарты безопасной работы с лазерами ANSI Z136 являются основой технических правил, утвержденных Управлением охраны труда (OSHA) и используемых для оценки рисков при работе с лазерами. Кроме того, они являются отправной точкой для технических инструкций, принятых во многих штатах. Вся лазерная продукция, продаваемая в США с 1976 года, должна быть классифицирована согласно этим стандартам и сертифицирована как отвечающая требованиям безопасности для своего класса. Результаты исследований и накопленное с опытом понимание потенциальной угрозы солнечного света и других источников излучения привели к установлению номинальной безопасной дозы облучения для большинства типов лазерного излучения. Для упрощения процедур обеспечения безопасности в целях предотвращения несчастных случаев была разработана система категорий безопасности лазеров, основанная на установленном пределе допустимого облучения и опыте, приобретенном за годы использования лазеров. Производитель лазера обязан сертифицировать свою лазерную продукцию на соответствие требованиям одной из категорий или классов риска, и соответствующим образом маркировать излучатели. В приведенном ниже списке кратко описаны четыре основные категории лазеров. Необходимо подчеркнуть, что это изложение является кратким и не отражает полного списка требований к категориям лазеров по степени их опасности.

• Класс I Лазеры этого класса являются безопасными, согласно современным представлениям, при любом возможном излучении, при их конструкции. К маломощным устройствам (0.4 милливатт на длинах волн видимой области спектра), использующими лазеры этого класса, относятся лазерные принтеры, CD-плееры, оборудование для съемки. Не допускается, чтобы испускаемое ими излучение превышало предельно допустимый уровень воздействия на глаз. Более опасные лазеры могут быть включены в класс I, но никакое вредное излучение не должно проникать наружу во время работы устройства или его технического обслуживания (но не обязательно во время сервисного обслуживания или ремонта). Для использования лазеров этого класса не предусмотрено никаких особых мер безопасности.

• Класс IA - специальное обозначение лазеров, со специальной областью применения, когда попадание лазерного луча в глаза маловероятно, например лазерные сканеры в супермаркетах. Для них допустима большая, чем для лазеров класса I, мощность (не более 4 милливатт), но предел длительности излучения лазеров класса I не должен превышать 1000 секунд.

• Класс II - это маломощные лазеры, генерирующие видимое излучение. Яркость пучка должна быть такой, чтобы предупредить достаточно длительное облучение глаза и возможность повреждения сетчатки. Допустимая мощность излучения этих лазеров не превышает 1 милливатт, что ниже максимально допустимого предела облучения для мгновенного импульса в 0,25 секунд и менее. Считается, что естественный рефлекс моргания глаз на свет этой яркости должен защитить глаза, но любое намеренное наблюдение в течение длительного времени может нанести вред. К лазерам этого класса относятся демонстрационные лазеры в учебных комнатах, лазерные указки, различные дальномеры.

• Класс IIIA - это лазерные устройства с непрерывной генерацией импульсов излучения средней мощности (1–5 милливатт), которые применяются в тех же областях, что и лазеры класса II, включая сканеры и указки. Они считаются безопасными при мгновенном попадании в глаз лазерного излучения (в течение менее 0,25 секунд), но при этом прямое попадание излучения в глаз или наблюдение через увеличительную оптику не допускается.

• Класс IIIB - это лазеры средней мощности (непрерывная генерация излучения мощностью 5–500 милливатт, или 10 Дж на квадратный сантиметр в импульсных лазерах). Они небезопасны при прямом попадании в глаз или при зеркальном отражении. Специальные меры предосторожности описаны в стандартах безопасности для этого класса лазеров. Примерами этого типа лазеров являются спектральные приборы, конфокальные микроскопы, устройства для лазерных шоу.

• Класс IV - это лазеры высокой мощности, превышающей мощность устройств класса IIIB, которые требуют строжайшего контроля за соблюдением мер безопасности при их использовании. Как прямой, так и диффузно-рассеянный лучи этого лазера являются опасными для глаз и кожи и могут вызвать возгорание материала, на который они падают (зависит от материала). Большинство повреждений глаз вызвано отраженным светом лазеров класса IV, поэтому все отражающие поверхности должны быть убраны с пути луча, и необходимо носить в течении всего времени работы с этими лазерами соответствующие защитные очки. Лазеры этой категории применяются в хирургии, при выполнении операций резания, сверления, микрообработки и сварки.

Хотя сегодня стандарты ANSI Z136 классифицируют лазеры на классы от I до IV, скорее всего, при следующем пересмотре стандартов ANSI будет принята новая классификация безопасности лазеров, чтобы привести ее в большее соответствие с международными стандартами, например, с принятыми Международной электротехнической комиссией (IEC) и теми, которые уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Изменения в стандартах, главным образом, являются ответом на повсеместное распространение таких устройств, как лазерные указки и подобных им, которые обычно используются людьми, незнакомыми с лазерной безопасностью. В этих изменениях также попытаются учесть специальные характеристики источников с высокой расходимостью пучка, таких как лазерные диоды. Эти изменения незначительны, и, в целом, с учетом накопленных знаний и опыта, продолжают курс на ослабление консервативных стандартов, разработанных в 1970-х годах.

Рис.2. Характеристики пропускания глаза человека

Новая классификация сохраняет четыре основных класса лазеров от 1 до 4, но смягчает требования в классах 1, 2 и 3 и вводит в них специальные подкатегории: 1M, 2M и 3R. Вкратце, новые категории могут быть описаны следующим образом: класс 1M включает лазеры, неспособные нанести вред, за исключением случаев попадания в глаза через оптические приборы. Лазеры класса 2M излучают видимый свет и безопасны, если не смотреть на них через оптические приборы и если время попадания на глаз менее 0,25 секунды. Это то время, за которое естественная ответная реакция на яркий свет и рефлекс моргания защищают сетчатку от повреждений. В класс 3R включены лазеры, которые приближаются к категории опасных при прямом попадании в глаз лазерного излучения. Они могут иметь выходную мощность в пять раз большую, чем лазеры классов 1 и 2. При их эксплуатации должны быть приняты дополнительные меры для предотвращения прямого попадания излучения, особенно для невидимого спектра.

Потенциальная опасность поражения глаз

Примечательно, что общим предостережением для большинства категорий лазеров является запрет смотреть на лазерный луч через любую увеличительную оптику. Основная опасность, которую лазеры представляют для человеческого глаза, следует из того, что глаз сам по себе является высокоточным и эффективным фокусирующим оптическим устройством для света в определенном диапазоне. Объединение лазеров с оптикой микроскопов только увеличивает потенциальную опасность поражения глаз лазерным излучением. Обычно в оптических лабораториях находится много лазеров, как встроенных в другие системы, например, во флуоресцентные микроскопы, так и в качестве источников света, устанавливаемых на открытых оптических скамьях. Главной опасностью, исходящей от этих «открытых» лазеров, является возможность попадания в глаза рассеянных горизонтальных лучей на высоте стола, лучей, отраженных от плоскости стола, от оптических компонентов и внешних отражающих поверхностей, таких как ременные пряжки, часы, драгоценности и любые другие отражающие поверхности в помещении. Попадание на долю секунды даже малой дозы отраженного излучения может быть достаточным для повреждения глаз и временной потери зрения.

Вероятность повреждения различных структур глаза лазерным излучением зависит от типа этих структур. Будет ли повреждена роговица, хрусталик, или сетчатка зависит от характеристик поглощения различных глазных тканей, а также длины волны и интенсивности лазерного излучения. Длина волны излучения, попадающего на сетчатку, внутреннюю поверхность глаза, определяется суммарными характеристиками пропускания глаза. На рисунке 2 представлена зависимость пропускания глаза от длины волны излучения в соответствующем спектральном диапазоне. Сетчатка, хрусталик и стекловидное тело глаза пропускают электромагнитное излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров, называемом диапазоном глазной фокусировки. Свет этого диапазона фокусируется на сетчатке - чувствительной поверхности, откуда сигналы поступают в мозг по зрительному нерву. При взгляде прямо на точечный источник света (что именно и происходит при прямом попадании в глаза коллимированного пучка лазерных лучей), на сетчатке формируется фокусное пятно малой площади, с высокой плотностью энергии, что с большой вероятностью приводит к повреждению глаза. Мы подвергаем себя, в определенной степени, той же опасности, когда прямо смотрим на солнце, только в случае лазеров, она еще больше.

Оптическое усиление ненапряженного человеческого глаза при попадании коллимированного пучка лучей, которое выражается как отношение площади зрачка к площади (сфокусированного) изображения на сетчатке, составляет величину около 100000. Это соответствует увеличению облученности (плотности потока излучения) при прохождении света от роговицы до сетчатки в пять раз. С учетом аберрации в системе хрусталик-роговица и дифракции на радужной оболочке глаза, нормальный глаз способен фокусировать на сетчатке пятно размером 20 микрометров. Такая эффективность глаза приводит к тому, что даже маломощный лазерный луч, при попадании в глаза, может быть сфокусирован на сетчатке и почти мгновенно прожечь в ней отверстие, безнадежно повредив при этом зрительные нервы. Кажущаяся малая мощность лазеров может быть очень обманчива, учитывая опасную степень концентрации энергии излучения при фокусировке лучей пучка. В случае прямого попадания в глаза лазерного пучка мощностью 1 милливатт, облученность, сетчатки составляет 100 ватт на квадратный сантиметр. Для сравнения, плотность потока солнечных лучей, если смотреть прямо на солнце, равняется 10 ваттам на квадратный сантиметр.

На рисунке 3 сравниваются возможности глаза при фокусировании света от двух источников: света от протяженного источника, такого как обыкновенная матированная стеклянная лампа, и высококоллимированного лазерного луча, который очень близок к свету от точечного источника. Из-за различной природы источников света, плотность потока на сетчатке от сфокусированного лазерного луча мощностью 1 милливатт может быть в миллион раз больше, чем от обыкновенной 100-ваттной лампочки. Если предположить, что лазерный пучок с идеальным гауссовским распределением интенсивности излучения по поперечному сечению падает на свободный от аберрации глаз под прямым углом, то размер пятна, ограниченного дифракционным пределом, может составить всего 2 микрона. Для протяженного источника этот размер будет порядка нескольких сотен микрон. При этом плотность потока (интенсивность излучения) на сетчатке, как показано на рисунке 3, составляет приблизительно 10 (E8) и 10 (E2) ватт на квадратный сантиметр соответственно.

Может показаться, что прожженное на сетчатке пятно, даже размером 20 микрометров, не приведет к существенному ухудшению зрения, поскольку сетчатка содержит миллионы колбочек (зрительных клеток). Тем не менее, повреждения сетчатки обычно больше первоначального фокусного пятна благодаря вторичным термическим и акустическим эффектам; и в зависимости от расположения, даже совсем маленькое повреждение сетчатки может привести к значительному ухудшению зрения. В самом худшем случае, когда глаз полностью расслаблен (сфокусирован на бесконечности), а лазерный луч падает на него под прямым углом или зеркально отраженный, луч фокусируется на сетчатке в самое маленькое пятно. Если повреждение происходит в месте соединения зрительного нерва с глазом, результатом может быть полная потеря зрения. Ожог сетчатки чаще всего возникает в области центрального зрения, macula lutea (желтое пятно), имеющей размеры около 2,0 миллиметров по горизонтали и 0,8 миллиметров по вертикали. Центральная часть пятна, называемая fovea centralis (центральная ямка), всего 150 микрометров в диаметре, но именно она обеспечивает остроту зрения и восприятие цвета. Области сетчатки вне этого крошечного участка воспринимают свет и фиксируют движение, то есть формируют периферийное зрение, но не участвуют в различении деталей. Следовательно, повреждение центральной ямки, хоть она и занимает всего 3–4 процента от площади сетчатки, может привести к необратимой потере остроты зрения.

Рис.3. Плотность излучения, попадающего на сетчатку от протяжённого и точечного источника

Диапазон длин волн, достигающих сетчатки глаза, охватывает весь видимый спектр от синего (400 нанометров) до красного (700 нанометров), а также ближнюю ИК-область спектра от 700 до 1400 нанометров (IR-A). Поскольку сетчатка не чувствительна к излучению вне видимого спектра, то при облучении ее ближними инфракрасными волнами, в глазу не возникает никаких ощущений, что делает лазеры, работающие в этом диапазоне гораздо более опасными для глаз. Будучи невидимым, луч, тем не менее, фокусируется на сетчатке. Как уже обсуждалось выше, из-за эффективной фокусирующей способности глаза, относительно небольшое лазерное излучение может повредить сетчатку, а иногда привести и к серьезным проблемам со зрением. Излучение импульсных лазеров обладает высокой интенсивностью, и при фокусировке на сетчатке может вызывать резкое кровоизлияние, причем пострадавший участок может быть по размеру гораздо больше фокусного пятна. Пораженные области сетчатки не заживают и, как правило, не восстанавливаются.

Благодаря другим компонентам глаза, главным образом роговице и хрусталику, поглощаемое сетчаткой излучение ограничено диапазоном глазной фокусировки, что по-другому можно назвать опасным для сетчатки диапазоном. В процессе поглощения вред наносится и самим поглощающим структурам. Но страдает при этом только ткань, поглощающая излучение, и ткани, непосредственно примыкающие к ней. В большинстве примеров облучения на длинах волн вне диапазона от 400 до 1400 нанометров, последствия были непродолжительными. Роговица ведет себя подобно коже, в том смысле, что она постоянно обновляется, и только весьма серьезные повреждения, приводящие к рубцам, могут повлиять на эффективность зрения. Наиболее сильное поражение роговицы вызывает излучение дальнего ИК и УФ спектра.

Из-за высокой фокусирующей способности глаза, облучение даже относительно слабым когерентным лазерным пучком может причинить непоправимый вред. Следовательно, при использовании мощного лазера, зеркальное отражение (при котором сохраняется когерентный пучок) даже нескольких процентов потока излучения в течение доли секунды, может вызвать повреждение глаза. И напротив, когда лазерный пучок отражается от шероховатой поверхности или, даже, от частиц пыли в воздухе, излучение рассеивается, и диффузно-отраженное излучение попадает в глаз под большим углом. При распределении энергии светового потока на большей площади, отраженный свет приобретает свойства протяженного источника, и создает на сетчатке изображение большего размера, в сравнении с концентрированным фокусным пятном от точечного источника (см. рисунок 3). Диффузия пучка, таким образом, уменьшает вероятность повреждения глаза не только за счет увеличения размера источника и уменьшения плотности светового потока, но также благодаря нарушению когерентности луча.

Таблица 1. Биологическое воздействие лазерного излучения

Потенциальные поражения глаз могут быть классифицированы относительно длины волны лазерного излучения и по структурам глаза, которые могут быть повреждены. При этом наиболее сильное воздействие оказывается на сетчатку, а наиболее опасным диапазоном оказывается видимая и ближняя инфракрасная области спектра. В зависимости от количества поглощенной энергии, возможен тепловой ожог, поражение акустической волной или фотохимические изменения. Биологическое воздействие, оказываемое на глазные ткани излучением на различных длинах волн, кратко описано ниже и перечислено в таблице 1.

Ультрафиолет-B и C

Ультрафиолет-A

Видимый свет и инфракрасный-A

Инфракрасный-B и инфракрасный-C

В общем, лазерное излучение в ультрафиолетовом и далеком инфракрасном диапазонах поглощается роговицей и хрусталиком, и его воздействие зависит от интенсивности и длительности облучения. При большой интенсивности сразу возникает тепловой ожог, а слабое излучение может стать причиной дальнейшего развития катаракты. Конъюнктива тоже может пострадать при лазерном

облучении, хотя поражение конъюнктивы и роговицы обычно происходит при облучении светом большей мощности, чем поражение сетчатки. В результате, поскольку повреждения сетчатки приводят к более тяжелым немедленным последствиям, опасность повреждения роговицы учитывается лишь при работе с лазерами длин волн, не достигающих сетчатки (по существу, дальняя ИК-область и УФ).

Типы поражения кожи

Поражения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, обычно считаются менее важными по сравнению с возможностью поражения глаз; хотя с распространением лазерных систем высокой мощности, особенно ультрафиолетовых излучателей, незащищенная кожа может подвергаться чрезвычайно опасному облучению от не полностью закрытых систем. Являясь органом тела с самой большой поверхностью, кожа больше всего подвержена риску облучения, но, в то же самое время, она эффективно защищает от него большинство остальных органов (за исключением глаз). Важно иметь в виду, что многие лазеры предназначены для обработки материалов (например, резание или сверление), которые гораздо прочнее кожи, хотя такие лазеры обычно и не используются в микроскопии. Руки и голова - это те части тела, которые чаще всего подвергаются случайному облучению лазерным пучком при юстировке и других действиях с аппаратурой; и пучок достаточной интенсивности может вызвать тепловые ожоги, повреждения фотохимической и ударной (акустической) природы.

Наибольшие повреждения кожи возникают из-за высокой плотности излучения лазерного пучка, а его длина волны в некоторой степени определяет глубину проникновения и характер повреждения. Наибольшей глубиной проникновения обладают волны в диапазоне 300–3000 нанометров, достигая максимума в инфракрасном A спектре на длине 1000 нанометров. При работе с потенциально опасными для кожи лазерами должны быть приняты соответствующие меры предосторожности, а именно: необходимо носить одежду с длинными рукавами и перчатки из огнестойкого материала. Во многих случаях процедуры юстировки можно выполнить, используя лазеры меньшей мощности, чем требуется при проведении самих исследований.

Поражения электрическим током

Опасности поражения электрическим током, связанные с электрическими компонентами лазеров и источниками питания, одинаковы почти для всех типов лазеров и не требуют спецификации по категориям или конфигурациям лазеров. Все лазеры основных функциональных категорий (газовые, твердотельные, лазеры на красителях, полупроводниковые), за исключением полупроводниковых, требуют высокого напряжения и, часто, использования большого тока для генерации лазерного луча. Различие заключается только в месте приложения высокого напряжения - непосредственно к резонатору самого лазера, к лампе накачки или лазеру накачки, поскольку, тем не менее, оно никогда не присутствует в самой системе. Особенно опасными являются лазеры, сохраняющие высокое напряжение в конденсаторах или других компонентах уже после выключения. Это особенно характерно для импульсных лазеров, о чем нельзя забывать, когда по каким-либо причинам необходимо снять их корпус. Всегда надо помнить, что существует опасность удара током, если в точности не установлено обратное. Многим лазерам высокое напряжение необходимо только до начала генерации излучения, после чего они работают при обычном для бытовых устройств напряжении. Но это не может быть оправданием несоблюдения правил безопасности при работе с любым электрическим устройством.

Особые требования и меры безопасности при работе с лазерами микроскопов

Многие лабораторные лазеры имеют те же свойства, что и лазеры высокой мощности, используемые в промышленных целях, поэтому для их применения может потребоваться специальное экранирование для защиты оператора от лазерного пучка. Выходные длины волн для большинства обычно используемых лазеров приведены в таблице 2. В тех рабочих ситуациях, когда возможность попадания лазерного луча в глаза не может быть абсолютно исключена, необходимо надевать защитные очки. Важно, чтобы эти очки задерживали свет на длине волны лазера, но пропускали остальной свет, чтобы обеспечить соответствующую видимость. Ключевым моментом является соответствие фильтрации используемому лазеру, поскольку универсальных защитных очков для всех лазеров или для всех длин волн многоволнового лазера не существует. Поскольку лазерный луч может попасть в глаза под любым углом, прямым либо отраженным от поверхностей, очки должны блокировать все возможные направления.

Рис. 4. Знаки, предупреждающие о лазерной опасности

Титан-сапфировый лазер (обычно обозначаемый Ti: сапфировый лазер) является универсальным примером перестраиваемого твердотельного лазера на колебательных переходах. Лазерам этого типа необходима оптическая накачка встроенной лампой накачки или другим лазером, внутренним или внешним по отношению к основному. Из-за разнообразия конфигураций Ti: сапфировых лазерных систем невозможно дать для них единый набор правил безопасности. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и импульсном режиме, и в зависимости от системы оптической накачки, требования электробезопасности, предъявляемые к ним, могут значительно изменяться. Перенастраиваемая длина волны титан-сапфировых лазеров обычно находится в диапазоне от 700 до 1000 нанометров, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать стандартные меры безопасности для лазеров, работающих на длине волны, достигающей сетчатки (меньше 1400 нанометров). Поскольку длина волны излучения меняется, необходимо использовать защитные очки. Пользователь должен быть уверен, что любое блокирующее лазерный пучок устройство соответствует длине(ам) излучаемой волны. Один короткий мощный импульс при работе в импульсном режиме может нанести глазу непоправимый вред, поэтому необходимо принять все меры предосторожности, чтобы попадание луча на любом направлении, как прямом, так и периферийном.

Важно иметь в виду, что в некоторых конфигурациях Ti: сапфирового лазера рассеянный свет от лазера накачки может быть более опасным, чем луч основного лазера, и если есть хоть какая-нибудь вероятность попадания этого света в рабочую область, должна быть использована защита для глаз на соответствующей длине волны. Если лазер накачки стоит отдельно от вибронного лазера, могут потребоваться дополнительные меры предосторожности, чтобы исключить возможность излучения рассеянного света при сопряжении двух лазеров. В системах с накачкой импульсными лампами высокое напряжение, подаваемое на них, может сохраняться в качестве конденсаторного заряда и после выключения системы. Это необходимо помнить, чтобы избежать электрического удара при проведении технического обслуживания. Ближнее инфракрасное излучение, испускаемое лазерами этого типа, может быть особенно опасно, так как, хотя луч и невидим, или едва заметен на границе диапазона около 700 нанометров, на сетчатке фокусируется большое количество инфракрасного света.

Легирование хромом различных твердотельных материалов оказалось весьма перспективным для развития новых перенастраиваемых вибронных лазеров (на колебательных переходах). Поскольку они становятся все более распространенными, необходимо учитывать меры безопасности, специфичные для каждого типа этих лазеров. Легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF) показал себя многообещающей средой лазеров с диодной накачкой, и в некоторых приложениях мультифотонной микроскопии используется вместо Ti: сапфировых лазеров. На перенастраиваемых длинах волн инфракрасного диапазона меры предосторожности аналогичны тем, которые применимы при использовании Ti: сапфирового лазера. Однако, поскольку лазеры, легированные хромом, появились относительно недавно, нужно иметь в виду, что защитные фильтры и очки могут не подходить для длин волн этих лазеров.

Аргоновый ионный, и менее распространенный криптоновый ионный лазеры, излучают на многих длинах волн и широко применяются в оптических исследованиях и методиках, таких, например, как конфокальная микроскопия. Аргоновые лазеры обычно относят к классу IIIB и классу IV по стандартам безопасности ANSI, поэтому необходимо избегать прямого облучения лазерным пучком. Сине-зеленые лучи высококогерентного пучка аргонового ионного лазера могут достигать сетчатки, вызывая непоправимые повреждения. Необходимо использовать защитные очки с сильным поглощением на основных длинах волн. Криптоновые ионные лазеры излучают на длинах волн несколько больших, чем аргоновые лазеры, и их излучение обычно меньшей мощности, частично потому, что они излучают на многих длинах волн видимого спектра, которые широко распределены всему спектру. Широкое распределение излучаемых волн по спектру представляет проблему при создании защитных очков, поскольку, задерживая свет всего излучаемого диапазона, они поглощают почти весь видимый свет, что сделает их практически непригодными для использования. Поэтому при работе с криптоновыми ионными лазерами нужна особая осторожность во избежание попадания их мультичастотного излучения в глаза. Аргоново-криптоновые лазеры стали популярны во флуоресцентной микроскопии, при наблюдении образцов с несколькими флуорофорами, когда требуется стабильное излучение на нескольких длинах волн; попадание на сетчатку любого излучения из этого диапазона должно быть исключено. К тому же, эти газоразрядные лазеры излучают ультрафиолет, который хорошо поглощается хрусталиком; а поскольку воздействие непрерывного излучения в этом диапазоне изучено слабо, необходимо носить защитные очки, поглощающие ультрафиолет. Криптоновый ионный лазер излучает на нескольких длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне, и его излучение практически невидимо, что может представлять серьезную опасность для сетчатки, несмотря на видимую малую мощность светового пучка. Высокое напряжение, необходимое для запуска лазерного разряда, и относительно сильные токи, для генерации излучения в непрерывном режиме представляют опасность поражения электрическим током.

Гелий-неоновые лазеры широко применяются в таких устройствах, как сканеры для супермаркетов и оборудование съемки и контроля. Имея мощность в несколько милливатт или меньше, они представляют собой источник такой же опасности поражения, как и прямой солнечный свет. При случайном взгляде на маломощный луч He-Ne лазера, он не окажет вредного воздействия на глаз; но высококогерентное излучение этого лазера фокусируется на сетчатке в очень маленькое пятно, и поэтому при длительном облучении, может причинить непоправимый вред. Основной эмиссионной линией He-Ne лазера является длина волны 632 нанометров, но возможны и другие длины волн от зеленой до инфракрасной. Более мощные версии гелий-неонового лазера представляют большую опасность поражения и должны использоваться с большой осторожностью. Невозможно заранее предсказать, какой именно уровень излучения вызовет те или иные повреждения глаз. Основное правило безопасности при работе с лазерами этой категории - следует избегать любого попадания луча в глаза, кроме мгновенного взгляда на луч, а также соблюдать правила электробезопасности при работе с источниками питания под высоким напряжением.

Другим газоразрядным лазером является гелий-кадмиевый лазер, широко использующийся в сканирующих конфокальных микроскопах, и излучает на фиолетово-синей и ультрафиолетовой длинах волн со значениями 442 нанометров и 325 нанометров, соответственно. От излучения синей области больше всего страдает сетчатка, чувствительность которой в этом диапазоне даже при низких уровнях облученности выше, чем к более длинноволновому излучению видимой области. Поэтому даже при низкой мощности излучения He-Cd лазера необходимо строго выполнять процедуры по соблюдению мер безопасности. Только малая часть ультрафиолета с длиной волны 325 нанометров может попасть на сетчатку из-за его сильного поглощения хрусталиком, но длительное облучение хрусталика этим светом может привести к развитию катаракты. Соответствующие защитные очки помогают избежать повреждения. Последняя версия He-Cd лазера представляет в этом смысле более трудную задачу, поскольку этот лазер одновременно излучает красный, зеленый и синий свет. Любая попытка одновременной фильтрации всех трех длин волн приводит к блокировке такой большой части видимого спектра, что пользователь уже не может выполнять необходимые задания, работая в защитных очках. Если отфильтрованы только две линии эмиссии, остается риск облучения третьей, поэтому требуется строгое соблюдение мер безопасности, для предупреждения облучения.

Азотные лазеры излучают на длине волны 337,1 нанометров УФ области спектра и используются в качестве импульсных источников во множестве приложений в микроскопии и спектроскопии. Их часто применяют в определенных методиках регистрации изображений и визуализации для накачки молекул красителей, для возбуждения излучения на дополнительных линиях с большей длиной волны Азотные лазеры способны генерировать излучение высокой мощности с чрезвычайно высокой частотой следования импульсов. При попадании излучения в глаз может быть поражена роговица, и, хотя поглощение на хрусталике в некоторой степени защищает сетчатку от ближнего ультрафиолета, нельзя сказать определенно, справедливо ли это для высокомощного импульсного излучения. Самым безопасным подходом при работе с лазерами этого типа является полная защита глаз. К тому же, для их работы требуется высокое напряжение, поэтому контакт с любыми компонентами системы питания может осуществляться только при полном отсутствии заряда.

Наиболее распространенные твердотельные лазеры основаны на введении ионизированного неодима в качестве примесей в уровни основного кристалла (легирование). Материалом для основного кристалла для неодима чаще всего служит алюмоиттриевый гранат, АИГ (YAG), синтетический кристалл, являющийся основой Nd:YAG лазера. Лазеры с неодимом представлены в огромном количестве модификаций, с различными значениями мощности излучения, как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Их накачка может осуществляться полупроводниковым лазером, импульсной лампой, дуговой лампой, а их характеристики могут варьироваться очень значительно в зависимости от конструкции и области назначения. В силу их широко распространенности и определенной степени опасности, которую они в себе несут, от неодимовых лазеров пострадало, возможно, больше всего людей, чем от лазеров других категорий.

Алюмоиттриевые лазеры с неодимом (Nd:YAG) генерируют излучение ближней ИК области на длине волны 1064 нанометров, которое может вызвать серьезное повреждение сетчатки глаза, поскольку оно невидимо и велика вероятность поражения отраженными лучами. Большинство из этих лазеров, используемых в микроскопии, имеют диодную накачку и излучают короткие импульсы высокой интенсивности, опасные даже при попадании в глаза единственного отраженного импульса. Следовательно, любые направления возможного попадания света в глаза должны быть блокированы. В этом случае подходящим вариантом могут быть защитные очки, поглощающие инфракрасный, но пропускающие видимый свет, за исключением приложений, где используются гармоники более высокого порядка. Удвоение частоты производит вторую гармонику на 532 нанометрах (видимый зеленый свет), которая также проходит до сетчатки, и если эта эмиссионная линия используется, необходима дополнительная фильтрация для ослабления зеленого света. Утроение и учетверение частоты обычно применяется в Nd:YAG лазерах для получения третьей и четвертой гармоник на 355 и 266 нанометрах, что представляет различную опасность поражения. В этих случаях следует использовать защитные очки для фильтрации ультрафиолета, и, возможно, средства защиты кожи для предотвращения ожогов. Лазеры, генерирующие инфракрасное излучение мощностью несколько ватт, на второй, третьей и четвертой гармониках выдают сотни милливатт.

Таблица 2. Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров

Значительное число исследований проводится в поисках альтернативного основного кристалла для присадки в него неодима. По мере их появления в промышленных лазерах, отдельное внимание должно быть уделено безопасной работе с ними. Внедрение устройств, обеспечивающих безопасную работу с новыми лазерами, не всегда поспевает за появлением новых моделей лазеров. На сегодня наиболее распространенной альтернативой алюмоиттриевому гранату является литиево-иттриевый фторид (обозначаемый как YLF), и как импульсные, так и непрерывные Nd:YLF лазеры уже выпускаются серийно. Будучи во многих отношениях похожими на неодимовые:YAG лазеры, лазеры на Nd:YLF немного отличаются по длине основной волны (1047 нанометров), и это должно приниматься во внимание при создании защитных фильтров, как, например, в защитных очках, учитывая их поглощение света на основной гармонике и на гармониках более высокого порядка.

Полупроводниковые диодные лазеры представляют относительно новую технологию, распространяющуюся сейчас быстрыми темпами в разнообразных вариантах. Рабочие характеристики диодных лазеров зависят от множества факторов, включая электрические свойства полупроводника, технологию выращивания, использованную при его производстве и применяемые легирующие примеси. Длина волны излучения, испускаемого лазерной средой, зависит от ширины запрещенной (энергетической) зоны и других характеристик, определяемых структурой полупроводника. Продолжающееся развитие обещает расширение волнового диапазона промышленных диодных лазеров. Сегодня, полупроводниковые диодные лазеры с длинами волн больше 1100 нанометров используются, в основном, в волоконной оптике. Большинство лазеров этой категории основаны на активных слоях смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAsP) в различных пропорциях. В основном, они излучают на длине волны либо на 1300, либо на 1550 нанометров. Небольшой процент излучения на 1300 нанометров достигает сетчатки глаза, в то время как излучение длин волн, больших 1400 нанометров, представляет наибольшую опасность для роговицы. Серьезные повреждения глаза маловероятны, за исключением излучения достаточно большой мощности. Большинство диодных лазеров, излучающих на 1300 нанометров, маломощны и не представляют серьезной угрозы для глаз, если лазерный пучок не направлен прямо в глаза в течение длительного времени. Неколлимированные пучки излучения диодного лазера и пучки света, выходящие из оптоволокна, имеют большой угол расходимости, что обеспечивает дополнительную степень безопасности. Защитные очки должны использоваться при излучении высокой мощности, если не все излучение полностью направлено или содержится в оптоволокне. При юстировке оптических приборов с излучением в ближней ИК-области, кроме надетых защитных очков, задерживающих инфракрасный свет, можно использовать флуоресцентные экраны или другие тепловизионные устройства (ИК). Диодные лазеры работают на низком напряжении и при слабом токе, поэтому, обычно, не представляют электрической опасности.

Диодные лазеры, излучающие на номинальных длинах волн менее 1100 нанометров, основаны, главным образом, на смесях галлия и мышьяка, но постоянные разработки новых материалов и технологий расширяют диапазон их излучения до более и более коротких волн. С некоторыми исключениями, при работе с диодными лазерами требуются те же меры безопасности, что и с остальными, излучающими в том же диапазоне и на той же мощности. Как говорилось выше, фактором, понижающим, в некоторых случаях, потенциальную опасность диодных лазеров, является высокая расходимость их пучков, благодаря которой энергия пучка рассеивается во многих направления на коротком расстоянии от излучательной поверхности полупроводника. Тем не менее, если в приложении необходимо использовать дополнительную фокусирующую оптику, или какой-либо метод коллимации, этот фактор сводится на нет. Диодные лазеры, работающие на смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAlP), излучают на 635 нанометрах при милливаттной мощности, поэтому требования безопасности, предъявляемые при работе с ними, аналогичны предъявляемым к гелий-неоновым лазерам той же мощности. Некоторые варианты лазеров на аналогичных диодных смесях, излучают на 660 или 670 нанометрах, и хотя естественная реакция глаза обеспечивает некоторую защиту, глаз не так чувствителен к этим длинам волн, как к излучению на 635 нанометрах, а поэтому рекомендуется использование защитных очков. Необходимо обеспечить фильтрацию именно этих длин волн, так как защитные очки, изготовленные для поглощения больших длин волн, могут быть неэффективными на 660 и 670 нанометрах.

Различные смеси галлия, алюминия, мышьяка (GaAlAs) используются для изготовления диодных лазеров, излучающих в диапазоне от 750 до почти 900 нанометров. Из-за ограниченной чувствительности глаза к излучению на 750 нанометрах (возможно слабое восприятие красного света) и полного отсутствия чувствительности к более длинным волнам, эти лазеры представляют для глаз большую опасность поражения, чем работающие в видимом диапазоне. Диодные лазеры, работающие в этом диапазоне, могут генерировать излучение, значительно более высокой мощности (до нескольких ватт в диодной матрице), что может повредить глаз даже при коротком облучении. Невидимость этого пучка исключает естественную защитную реакцию глаза, поэтому необходимо носить защитные очки, особенно при работе с лазерами большой мощности. Лазеры на смеси индия-галлия-мышьяка (InGaAs) излучают даже на больших длинах волн, поэтому необходимы защитные очки, поглощающие 980-нанометровую линию, опять же для исключения возможности случайного попадания в глаза невидимого излучения.

В итоге, основными опасностями при работе с лазерами являются возможность повреждения глаз и поражения кожи при контакте с лазерным лучом, а также опасность электрического удара из-за высоких напряжений в лазерах. Следует принимать все меры предосторожности во избежание контакта (особенно глаз) с лазерным лучом, а когда это невозможно, необходимо носить защитные очки. При выборе защитных очков или других фильтров существенны четыре фактора: длина волны лазера, характер излучения (импульсный или непрерывный), тип лазерной среды (газ, полупроводник и т. д.) и выходная мощность лазера.

Существуют еще дополнительные, не связанные с излучением, опасности, некоторые из которых относятся к самой микроскопии, а другие встречаются довольно редко. Во многих промышленных приложениях лазеры используются для резки и сварки. Высокие температуры, возникающие при выполнении таких операций, могут способствовать появлению различных вредных дымов и испарений, которые обязательно должны удаляться из рабочих помещений. Это не имеет отношения к лазерам, используемым в оптической микроскопии, однако следует учитывать и соблюдать общие правила техники безопасности. В системах, накачиваемых импульсными лампами, существует опасность взрыва лампы при нагнетании в ней высокого давления. Корпус прибора должен быть сконструирован таким образом, чтобы удержать все осколки лампы, в случае такого взрыва. Для охлаждения лазеров (рубинового или с неодимовым легированием, например) могут использоваться криогенные газы, такие как жидкий азот или гелий. При попадании этих газов на кожу возможны ожоги. Если значительное количество газов выпускается в закрытом помещении, они, замещая собой находящийся в помещении воздух, могут вызвать недостаток кислорода. Электрическая безопасность, связанная с лазерным оборудованием, уже обсуждалась выше, но ее нельзя переоценить, так как корпуса приборов, предназначенные для защиты от поражения электрическим током, обычно снимаются при установке лазера, юстировке и техническом обслуживании. Некоторые лазерные системы (класса IV или 4, особенно) потенциально пожароопасны.

Существует несколько классификаций опасности лазеров, которые, однако, весьма похожи. Ниже приведена наиболее распространенная международная классификация.

● Класс 1. Лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения. Излучение систем класс 1 не представляет никакой опасности даже при долговременном прямом наблюдении глазом. Во многих странах к классу 1 относятся также лазерные устройства с лазером большей мощности, имеющие надежную защиту от выхода луча за пределы корпуса.

● Класс 2. Маломощные видимые лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если специально смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы. Лазеры с невидимым излучением не могут быть классифицированы как лазеры 2-го класса. Обычно к классу 2 относят видимые лазеры мощностью до 1 милливатта.

● Класс 2a (в некоторых странах). Лазеры и лазерные системы класса 2a, расположенные и закрепленные таким образом, что попадание луча в глаз человека при правильной эксплуатации исключено.

● Класс 3a. Лазеры и лазерные системы с видимым излучением, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода (как правило, за счет моргательного рефлекса глаза). Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп). Обычно ограничены мощностью 5 милливатт. Во многих странах устройства более высоких классов в ряде случаев требуют специального разрешения на эксплуатацию, сертификации или лицензирования. Международные классы 2 и 3a примерно соответствуют российскому классу 2.

● Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча. Лазер относится к классу 3b, если его мощность более 5 милливатт. В Беларуси примерно соответствуют классу 3.

● Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющиеся и горючие материалы.

Меры безопасности

Система классификации безопасности лазеров весьма облегчает выработку необходимых мер безопасности. На практике, стандарты и кодексы лазерной безопасности, обычно, требуют применения более жестких мер контроля для каждого более высокого класса лазеров.

Первое правило лазерной безопасности:

НИКОГДА НИ ПРИ КАКИХ ОБСТОЯТЕЛЬСТВАХ НЕ СМОТРИТЕ ГЛАЗАМИ НА ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ!

Если вы сможете предотвратить попадание лазерного луча и его отражений в глаз, вы сможете избежать болезненные и, возможно, ослепляющее травмы.

На деле, всегда более желательно полностью закрыть лазер и траекторию прохождения луча для того, чтобы сделать недоступным потенциально опасное лазерное излучение. Другими словами, если на рабочем месте используются только лазерные устройства класса 1, то безопасность гарантирована. Однако во многих ситуациях это просто не реально, и поэтому требуется подготовка рабочих в области безопасного использования лазеров и мер контроля опасности.

Кроме соблюдения очевидного правила - не направлять лазер человеку в глаза - для лазерных устройств класса 2 не требуется других мер контроля. Для лазеров более высоких классов, несомненно, требуется применение мер безопасности.

Если общее загораживание лазера класса 3 или 4 невозможно, то использованием корпусов для лучей (например, труб), дефлекторов (экранов) и оптических заслонов можно в большинстве случаев, фактически, устранить риск опасной экспозиции глаз.

Когда загораживание лазера класса 3 или 4 невозможно, то необходимо создать контролируемый лазером участок с контролируемым входом. Использование средств анти-лазерной защиты глаз внутри зоны номинальной опасности (NHZ) лазерного луча является обязательным. Хотя в большинстве исследовательских лабораторий, где используются коллимационные лазерные лучи, NHZ включает в себя всю контролируемую лабораторию, для устройств со сфокусированным лучом NHZ может быть необычайно ограниченной и не охватывать всю комнату.

При работе с лазерами необходимо иметь очки, защищающие от лазерного излучения. Защитные очки нужны даже для лазера 15мВт, так как без них глаза сильно устают. Для защиты глаз нельзя использовать солнцезащитные очки!

Степень защиты очков от лазерного излучение измеряется в OD. OD значит Optical Density – оптическая плотность. Оптическая плотность показывает, во сколько раз очки ослабляют свет. Единица означает «в 10 раз». Соответственно, «оптическая плотность 3» означает ослабление в 1000 раз, а 6 - в миллион. Правильная оптическая плотность для видимого лазера такова, чтобы после очков от прямого попадания лазера осталась мощность, соответствующая классу II (максимум где-то 1 мВт). Для невидимого - чем больше, тем лучше.

От красного и некоторых инфракрасных лазеров защищают отечественные очки марки ЗН-22 С3-С22. Они похожи на очки сварщика, но имеют стекла голубого цвета.