Лазерні випромінювання

Застосування лазерів у галузі зв’язку і на телебаченні особливо перспективне.

В лазерах генерується когерентне випромінювання оптичного діапазону великої інтенсивності, у вузькому пучку випромінювання, а густина потоку потужності може досягати 10 12 -10 13 Вт/см 2 .

Випромінювання електромагнітні (лазерні) охоплюють практично весь оптичний діапазон, від ультрафіолетової до інфрачервоної області спектра випромінювання (табл.6.1).

Генератори оптичного діапазону працюють на основі змушених випромінювань, джерелами яких є робочі речовини, що генерують електромагнітні випромінювання оптичного діапазону (що створюють лазерний ефект) внаслідок порушення їхніх атомів електромагнітною енергією іншого джерела.

Класифікація електромагнітних випромінювань оптичного діапазону

Іншим джерелом у твердо тілих лазерах служать газорозрядні імпульсні лампи, а в газових лазерах – генератори НВЧ.

Робочою речовиною у твердо тілих квантових генераторах застосовують кристали рубіну, скла з домішкою неодиму, диспрозію, вольфрамат кальцію, а в газових генераторах найбільш простого типу – суміш гелію з неоном і азотом. Робоча речовина випромінює хвилі визначеної довжини. Наприклад, рубіновий лазер створює хвилю довжиною X = 0,6943 мкм, неодимовий X = 1,06 мкм, лазер на суміші вуглекислого газу з неоном і азотом X = 10,6 мкм.

При поширенні лазерного випромінювання в повітрі на великі відстані інтенсивність о ( Вт/м 2 ) визначається за формулою:

де: Р – потужність випромінювання, Вт; r – відстань до джерела,

а – коефіцієнт ослаблення за потужністю, 1/м. Коефіцієнти ослаблення за потужністю при поширенні випромінювання в повітряному середовищі наведені в табл.6.2.

Коефіцієнти ослаблення за потужністю в повітрі

Довжина хвилі випромінювання XX, мкм

Коефіцієнт ослаблення а, 1/м 10-5

На суміші СО2 з неоном і азотом

Інтенсивність відбитого лазерного променя (Вт/м 2 ) визначається за формулою:

де: Р – потужність випромінювання, Вт; р₀ – коефіцієнт ослаблення випромінювання оптичного квантового генератора від перешкоди; S – площа проекції поверхні перешкоди, що опромінюється, на площину, перпендикулярну до прямого променя лазера, м 2 ; r -відстань до джерела випромінювання, м.

Вплив лазерних випромінювань на людину

Коли лазерні випромінювання потрапляють на біологічні тканини людини, тоді вони чинять теплову, механічну і електрохімічну дію на організм людини. Тепловий вплив виявляється в поглинанні енергії лазерного випромінювання біологічними тканинами і, в першу чергу, шкірою. Шкіра поглинає велику частину енергії, в результаті чого виникають опіки. Ступінь опіку шкіри у великій мірі залежить від інтенсивності і частоти випромінювання, а також від ступеня пігментації шкіри в момент опіку. Чим більша частота, тим сильніший опік. Чим темніше шкіра, тим більша частина енергії нею поглинається і тим сильніший її опік.

Коли велика інтенсивність опромінення впливає на людину, можуть уражатися внутрішні органи, викликаючи набряки, крововиливи, омертвіння тканин. Тоді може мати місце навіть згортання і розпад крові.

Якщо інтенсивності лазерного випромінювання в організмі людини невеликі, можуть виникнути функціональні порушення – в першу чергу в нервовій і серцево-судинній системах, що виявляється в зниженні або підвищенні артеріального тиску, підвищенні пітливості, виникненні головного болю, стомлюваності, дратівливості. Такі зміни оборотні, якщо вжити заходів щодо виключення опромінення і дотримання належного режиму праці й відпочинку.

Механічний вплив виявляється в розриві тканин, що виникає в результаті різкого скипання рідинних структур живої тканини, підвищення тиску й ударної хвилі.

Електрохімічний вплив лазерного випромінювання зумовлює іонізацію рідинних компонентів і утворення нових структур, не властивих живій матерії.

В першу чергу і найбільш небезпечне лазерне випромінювання для очей. Небезпека виникає тоді, коли промінь лазера фіксується на сітківці ока, що приводить до її коагуляції. Наслідком коагуляції є сліпота ураженої області сітківки. Найбільш небезпечне ураження центральної ямки сітківки – невелика область діаметром 0,2 мм поблизу центра сітківки. Це серйозна втрата зору. Внутрішнє середовище ока допускає випромінювання оптичного квантового генератора з довжинами хвиль 0,33-1,4 мкм на сітківку ока. Найбільша прозорість ока (до 100%) має місце для довжин хвиль 0,5-0,9 мкм, тому випромінювання рубінового генератора з X = 0,6943 мкм проходить до сітківки без втрат і сприймається як червоний колір, а випромінювання генератора, що працює на суміші вуглекислого газу з неоном і азотом з X = 10,6 мкм, поглинається рогівкою ока.

Для очей небезпечним є не тільки пряме випромінювання лазера, але й відбите від будь-якої поверхні. Коли від лазерного випромінювання око віддаляється на видиму відстань, то це не врятовує його від ураження, тому що в оптичній системі ока віддалені об’єкти фокусуються на сітківці менше, ніж прилеглі об’єкти.

Шкідлива робота з оптичними квантовими генераторами пов’язана з такими шкідливими виробничими факторами, як: сліпуче яскраве світло лампи накачування, озон, електромагнітні випромінювання НВЧ .

Нормування лазерних випромінювань

Потік потужності лазерних випромінювань вимірюють за допомогою фотометричних і калориметричних вимірників. Фотометричні прилади більш чутливі, ніж калориметричні і з їхньою допомогою можна вимірювати щільність потоку потужності до декількох мікроват на квадратний сантиметр при похибці до 10 %. Норми випромінювань наведені в табл.6.3.

Норми лазерних випромінювань

Захист від впливу лазерних випромінювань

Лазерні квантові генератори слід розміщувати в спеціально призначених для цих цілей приміщеннях, двері яких повинні мати спеціальне блокування з світловим табло, що включається на час роботи лазерних генераторів. Приміщення повинні задовольняти усім вимогам санітарних норм і повинні бути обладнані припливно-витяжною вентиляцією.

Приміщення усередині, а також устаткування і предмети, що знаходяться в ньому, не повинні мати дзеркально відбиваючих поверхонь, у противному разі їх варто фарбувати в темні матові тони.

Квантовий генератор повинен установлюватися таким чином, щоб шлях променя проходив в найменш відвідуваній людиною зоні, а місця фокусування променя під час його роботи були захищені діафрагмами. Наприкінці променя розміщують пастку для поглинання відбитого випромінювання. Для зменшення розсіювання випромінювання лінзи, призми й інші тверді перешкоди на шляху променя повинні бути обладнані блендами. У деяких випадках необхідно відбивати весь хід променя.

Для візуального юстирування пристрої повинні бути оснащені захисними поглинаючими фільтрами. При роботі з оптичними квантовими генераторами їх розташування за польових умов слід позначати спеціальними знаками.

Ширми, що екранують, штори, завіси можна виготовляти з бавовняної чорної фланелі.

Захист очей слід здійснювати захисними окулярами, скло яких має велику оптичну щільність. Закордонні дослідники пропонують використовувати скло щільністю 9 на довжинах хвиль 0,6943 і 1,06 мкм. Для запобігання ушкодження скла випромінюванням оптичного квантового генератора перед ним пропонується розміщувати скло з меншим коефіцієнтом поглинання.

Окуляри СЗС-22, виконані із синьо-зеленого скла, практично непроникні для випромінювань з довжинами хвиль 0,63-1,5 мкм.

Робітники в процесі роботи з оптичними квантовими генераторами для профілактики захворювань повинні два рази на рік проходити медичні огляди за участю терапевта, гематолога, офтальмолога і невропатолога.

Дослідження і обслуговування оптичних квантових генераторів повинні проводити працівники не молодше 18 років, які не мають медичних протипоказань.

Питання для самоконтролю

• 1. Які види впливу лазерних випромінювань на людину?
• 2. Що слід знати про механічний вплив лазерного випромінювання на людину?
• 3. Що слід знати про електромеханічний вплив лазерного випромінювання на людину?
• 4. Для яких органів людини встановлені норми лазерного випромінювання?
• 5. Які заходи захисту від лазерних випромінювань Вам відомі?
• 6. У яких одиницях вимірюються лазерні випромінювання?
• 7. Для яких довжин хвиль непроникне синьо-зелене скло захисних

Лазерне випромінювання

Лазерне випромінювання являє собою особливий вид електромагнітного випромінювання, що генерується в діапазоні довжин хвиль 0,1 . 1000 мкм. Лазери широко застосовуються в самих різних областях людської діяльності завдяки таким унікальним властивостям, як висока ступінь когерентності і монохроматичности випромінювання, мала розбіжність променя, гостра фокусування випромінювання і можливість отримання величезної щільності потужності випромінювання.

Лазерні системи крім широкого науково-технічного та промислового використання мають різноманітне застосування в медицині, біології, біотехнології, генної інженерії тощо

По виду лазерне випромінювання підрозділяють на пряме; розсіяне; дзеркально-відбите; дифузне.

Властивості лазерного випромінювання. Інтенсивність випромінювання. На відміну від всіх відомих оптичних джерел випромінювання лазерів володіє надзвичайно високою інтенсивністю. Потужність твердотільного оптичного квантового генератора (ОКГ) може досягати 10 +12 Вт При фокусуванні це випромінювання можна сконцентрувати в малому плямі. Щільність потужності лазерного випромінювання може досягати високих значень – близько 10 сімнадцять Вт см -2 і більше. При впливі такого випромінювання на речовину розвиваються високі температури порядку 10 +6 К. і вище. Природно, що ніякої тугоплавкий матеріал не витримає такої щільності випромінювання. Час впливу таких густин у разі імпульсної дії набагато менше часу встановлення стаціонарного процесу, при цьому відбувається взаємодія інтенсивного випромінювання з речовиною в локальному обсязі, тобто в області опромінення, не зачіпаючи сусідні області.

Ширина лінії випромінювання і когерентність. Монохроматична хвиля має строго певну частоту коливань:

де Е ₀ – амплітуда вектора електричної напруженості поля; к – хвильове число; x – координата осі поширення хвилі; φ – фаза (E _{0, ω, k, φ – не залежить від t).}

При поширенні в просторі двох хвиль однакової частоти, але з різними фазами (φ _1, φ _{2), в будь-який момент часу різниця фаз Δφ = (φ 1} -φ _{2) буде залишатися постійною.} Дві хвилі когерентні, якщо амплітуда, частота, фаза, поляризація і напрям поширення цих хвиль залишаються постійними або змінюються за певним законом. Ідеальних монохроматичних коливань в природі не існує, так як кожен енергетичний рівень має кінцеву ширину, пов’язану з часом життя рівня. Зі співвідношення невизначеності (співвідношення Гейзенберга) випливає, що невизначеність значення верхнього рівня Δε при випромінюванні пов’язана з невизначеністю часу життя цього рівня Δt співвідношенням

Тривалість процесу випромінювання τ і природна ширина лінії випромінювання Δω = 2πΔν пов’язані виразом

Враховуючи, що в лазері є оптичний резонатор, в якому існують власні частоти (моди коливань шириною Δν _{ρ), шляхом відповідного вибору розмірів резонатора і умов роботи лазера можна отримати високу ступінь монохроматичности.} У газових лазерах порівняно легко отримати Δν _ρ / ν ₀ = 10 -10 (де v ₀ – резонансна частота переходу) і навіть менше. Це виконується в тому випадку, якщо в інтервалі Δν _л на резонансній частоті ν ₀ знаходиться одна мода Δν _м коливання резонатора (одномодовий режим). У твердотільних ОКГ монохроматичность гірше монохроматичности газових лазерів. Високий ступінь монохроматичности лазерних джерел полегшує отримання меншого плями r _s при фокусуванні. При цьому хроматична аберація оптичних лінз практично не грає ролі. Ця властивість лазерних джерел сприяє отриманню значних інтенсивностей.

Лазерне випромінювання володіє високим ступенем часової і просторової когерентності. Ця властивість лазерного випромінювання сприяє отриманню більших значень W _s, так як мала розбіжність лазерного потоку сприяє отриманню менших значень r _s. Поняття когерентності грає велике значення при використанні лазерного випромінювання в оптичній локації.

Напруженість електричного поля. Лазерне випромінювання, володіючи надзвичайно високою інтенсивністю, дозволяє отримувати високі значення електричної напруженості в потоці. Ці значення можна порівняти з внутріатомними полями. Максимальне значення електромагнітної зв’язку електрона з протоном водню Н визначається виразом

де е – заряд електрона; r ₀ – радіус електронної орбіти.

При го = 10 -8 см величина Е _{н, = 10} дев’ять В / см. Для інших речовин це значення становить 107 . 108 В / см.

Як відомо, інтенсивність поля (щільність потужності) пов’язана з напруженістю електричного поля Е співвідношенням

де ε ₀ – діелектрична проникність вакууму; с – швидкість світла.

При інтенсивностях, наприклад, 10 14 Вт · см -2 величина Е становить приблизно 10 вісім У см -1.

Лазерне випромінювання дає можливість відносно просто варіювати потужність променевого потоку, змінювати напрямок його розповсюдження за допомогою фокусуючих лінз, зовнішніх коллиматоров, відображають дзеркал або спеціальних пристроїв.

Яскравість. Властивості лазерів дозволяють отримати надзвичайно високе значення яскравості випромінювання. У табл. 5.10 представлені порівняльні значення яскравості деяких оптичних джерел, з якої видно, що яскравість лазерного джерела на багато порядків перевищує яскравість Сонця і потужність штучних джерел спонтанного оптичного випромінювання.

Таблиця 5.10. Значення яскравості деяких джерел

Расходимость потоку, стсрад

Nd-скло (лазер спец. Конструкції)

Кут розходження пучка. Однією з важливих характеристик лазерного випромінювання є спрямованість (колімація) випромінювання. Важливість колімації полягає в тому, що енергія, що переноситься лазерним потоком, може бути зібрана (сфокусована) на малій площі.

Обмеження на кут розходження лазерного потоку накладається дифракцією:

де θ – кут розходження; К – числовий коефіцієнт порядку одиниці (для однорідного пучка К = 1,22); λ – довжина хвилі; d – діаметр вихідної апертури.

Класифікація лазерів. Основне джерело лазерного випромінювання – оптичний квантовий генератор (лазер). Лазери є генераторами електромагнітних хвиль оптичного діапазону, в яких використовується вимушене електромагнітне випромінювання молекул активної речовини, що приводиться в збуджений стан джерелом накачування. Типи лазерів розрізняються видом активного речовини і способом накачування.

У твердотільних лазерах в якості активної речовини використовуються кристали рубіна, иттриево-алюмінієвий гранат (АІГ) або скло, активований неодимом (Nd) або ербієм. Для порушення активної речовини застосовують імпульсні ксенонові лампи. У режимі вільної генерації твердотільні лазери генерують імпульси тривалістю 0,1-1 мс, з енергією десятки джоулів і потужністю в імпульсі десятки або сотні кіловат (10 дев’ять . 10 10 Вт). Кут розходження променя в твердотільних лазерах становить 20 . 30 °.

У газових лазерах активною речовиною є газ або суміш газів, які приводяться в збуджений стан газовим розрядом. Газові лазери характеризуються малим кутом розходження променя – всього 1 . 3 °. Найбільшого поширення набули лазери на суміші гелію (Не) і неону (Ne) з довжиною хвилі генерації 0,63 мкм і лазери на вуглекислому газі (СО _{2) з довжиною хвилі 10,6 мкм.} Потужність гелій-неонових лазерів невелика і складає десятки або сотні милливатт. Лазери на вуглекислому газі характеризуються великою потужністю – сотні ват в безперервному режимі і високим ККД – 20 . 30%.

У напівпровідникових лазерах активною речовиною є напівпровідниковий кристал. Збудження лазера здійснюється електричним струмом, що проходить через кристал. Максимальна потужність складає близько 100 Вт в імпульсному режимі і кілька ват – в безперервному. Володіє кутом расходимости променя в кілька градусів.

У рідинних лазерах в якості активної речовини використовують зазвичай органічні барвники. Збудження активної речовини здійснюється або когерентним випромінюванням іншого лазера, або некогерентним випромінюванням імпульсних ламп. У рідинних лазерах при відповідному виборі активної речовини можна отримати когерентне випромінювання з довжинами хвиль від 0,34 до 11,75 мкм. Енергія випромінювання в імпульсі становить до 10 Дж.

Вплив лазерного випромінювання на людину, живий організм, живу клітину багатолике і суперечливо.

В даний час лазерне випромінювання використовується і як хірургічний ніж для видалення злоякісних пухлин та інших утворень, і як тонкий інструмент в мікрохірургії ока, і як цілющий промінь для лікування найрізноманітніших захворювань серця, печінки, вегетативно-судинної системи, травного тракту і т.д .

З іншого боку, лазерне випромінювання становить певну небезпеку при необережному і невмілому його використанні. Навіть робота з малопотужним лазером становить небезпеку, насамперед для очей.

Біологічна дія лазерного випромінювання залежить від довжини хвилі і інтенсивності випромінювання, тому весь діапазон довжин хвиль ділиться на області: ультрафіолетова (0,2 . 0,4 мкм); видима (0,4 . 0,5 мкм); інфрачервона – ближня (0,75 . 1) і далека (понад 1,0).

За ступенем небезпеки лазерного випромінювання для організму людини все лазерні установки підрозділяються на чотири класи. До класу I відносяться лазери, випромінювання яких не представляє небезпеки для шкіри і очей людини, до класу II – випромінювання яких становить небезпеку для очей або шкіри при опроміненні прямим або дзеркально відбитим випромінюванням.

Випромінювання лазерів класу III становить небезпеку для очей і шкіри при опроміненні прямим або дзеркально відбитим випромінюванням і небезпеку для очей при опроміненні дифузно відбитим випромінюванням на відстані 10 см від поверхні, що відбиває.

До класу IV відносяться лазери, випромінювання яких становить небезпеку для шкіри і очей при опроміненні дифузно відбитим випромінюванням на відстані 10 см від поверхні, що відбиває.

Розподіл лазерів на класи дозволяє визначити заходи щодо забезпечення безпеки при роботі з лазерами різних типів.