Глава 11. Защита от лазерных излучений

11.1. Природа, особенности и источники лазерных излучений

Название лазер (по англ. laser) – аббревиатура, состоящая из начальных букв английской фразы Light Amplification bу Stimulated Emissiоn of Radiation, что в переводе означает усиление света посредством вынужденной эмиссии излучения.

Отметим, что в английском языке слово radiation означает любое излучение или лучеиспускание.

Лазер, или оптический квантовый генератор (ОКГ), – техническое устройство, испускающее в виде направленного пучка электромагнитное излучение оптического диапазона с длиной волны от 0,2 до 1000 мкм, основанное на использовании вынужденного излучения.

Принцип действия лазера основан на свойстве атома (сложной квантовой системы) излучать фотоны при переходе из возбужденного состояния в основное (с меньшей энергией). При нормальных условиях число атомов, находящихся в возбужденном состоянии, меньше числа атомов, находящихся на основном энергетическом уровне. В лазерах с помощью специальных приемов и посредством подачи на рабочее тело энергии накачки добиваются того, что число атомов, находящихся в возбужденном состоянии, становится значительно больше числа атомов, находящихся на основном уровне энергии. Лавинообразный переход атомов за очень короткое время из возбужденного состояния в основное приводит к возникновению лазерного излучения.

Лазер состоит из рабочего тела (активная среда), лампы накачки и зеркального резонатора. Сильная световая вспышка лампы накачки и обеспечивает перевод атомов в возбужденное состояние с последующим электромагнитным излучением. Отражаясь от резонансных экранов, фотоны пробивают полупрозрачный зеркальный экран и выходят монохроматическим когерентным (строго направленным) световым пучком высокой энергии.

Рабочее тело, или активная среда, может быть твердым (кристаллы искусственного рубина с добавкой хрома, некоторые соли вольфрамовой и молибденовой кислот, стекла с примесью редкоземельных и других элементов), жидким (пиридин, бензол, толуол, бромнафталин, нитробензол и др.), газообразным (смесь галлия и паров кадмия, аргон, криптон, углекислый газ и др.), могут использоваться и полупроводники (Zn, S, ZnO, CaSe, Те, РвS, GaAs и др.).

Атомы рабочего тела переводятся в возбужденное состояние не только световым излучением, но и потоком электронов или химической реакцией.

Лазерные установки нашли широкое применение во всех отраслях промышленности: в машиностроении для резки, сварки и упрочнения металлов, в приборостроении – для обработки твердых и сверхтвердых сплавов, в радиоэлектронике – для точечной сварки, для производства печатных схем, микросварки, в текстильной промышленности – для раскроя тканей, в часовой промышленности – для прошивки отверстий в камнях и т.д. Растет применение лазеров в медицине: в офтальмохирургии, нейрохиругии. Большие перспективы открывает использование лазеров в области связи, в качестве источников света, для контроля за химическими процессами.

11.2. Основные характеристики лазерных излучений. Классификация лазеров

Электромагнитное излучение, генерируемое лазером в диапазоне длин волн 0,2–1000 мкм, может быть разбито в соответствии с биологическим действием на ряд областей спектра: 0,2–0,4 мкм – ультрафиолетовая область; 0,4–0,75 мкм – область видимого света; 0,75 –1,4 мкм – ближняя инфракрасная; 1,4

400 мкм – дальняя инфракрасная область; 400–1000 мкм – субмиллиметровая область. В настоящее время чаще всего применяют лазеры с длинами волн 0,34; 0,49–0,51; 0,53; 0,694; 1,06 и 10,6 мкм.

Основными энергетическими параметрами лазерного излучения являются: энергия излучения W, Дж; мощность излучения Р, Вт; облученность Е, Вт/м²; энергетическая экспозиция Н, Дж/м².

Облученность – отношение потока излучения, падающего на малый участок поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого участка. Энергетическая экспо-зиция – физическая величина, определяемая интегралом облученности по времени.

Излучение также характеризуется временными параметрами: длительностью импульса τ_и, с; частотой повторения импульса f_и, Гц; длительностью воздействия излучения t, с; длиной волны λ, мкм.

Лазеры могут быть квалифицированы следующим образом:

- по конструктивному исполнению (стационарные, передвижные, открытые, закрытые);

- по мощности излучения (сверхмощные, мощные, средней мощности, маломощные);

- по режиму работы (непрерывные, импульсные);

- по способу отвода тепла (с естественным охлаждением, с принудительным охлаждением водой, с принудительным охлаждением специальной жидкостью);

- по назначению (технологические, специальные, исследовательские, уникальные);

- по методу накачки (с химическим возбуждением, с пропусканием высокочастотного тока, с пропусканием импульсного тока, с пропусканием постоянного тока, с возбуждением импульсным светом, с возбуждением постоянным светом);

- по длине генерируемой волны (ультрафиолетовые, видимый свет, инфракрасные, субмиллиметровые);

- по активному элементу (жидкостные, полупроводниковые, твердотельные, газодинамические).

Различают также закрытые и открытые лазерные установки. Закрытыми являются лазерные установки с экранированным пучком лазерного излучения, при работе которых исключено воздействие на человека лазерного излучения любых уровней. Конструкция открытых лазерных установок допускает выход излучения в рабочую зону.

Кроме этого, в соответствии с ГОСТ 12.1.040-83 «ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения» лазеры классифицируются по степени опасности генерируемого излучения (от малоопасных – I класс, до высокоопасных – IV класс).

Лазеры I класса – выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи.

Лазеры II класса – выходное излучение опасно для глаз при облучении прямым или зеркально отраженным излучением.

Лазеры III класса – выходное излучение представляет опасность при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности и (или) при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением.

Лазеры IV класса – выходное излучение представляет опасность при облучении глаз и кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

Зеркально отраженным называют лазерное излучение, отраженное под углом, равным углу падения. Диффузно отраженное лазерное излучение – излучение, отраженное от поверхности, соизмеримой с длиной волны, по всевозможным направлениям в пределах полусферы.

В зависимости от типа, конструкции и целевого назначения лазеров и лазерных установок на обслуживающий персонал могут воздействовать следующие опасные и вредные факторы:

а) лазерное излучение (прямое, зеркально или диффузно отраженное);

б) повышенный уровень ультрафиолетового излучения, источником которого являются импульсные лампы накачки или кварцевые газоразрядные трубки;

в) повышенная яркость света, излучаемого импульсными лампами или материалом мишени под воздействием лазерного излучения;

г) повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧ- и СВЧ-диапазонов от генераторов накачки;

д) повышенный уровень инфракрасного излучения в рабочей зоне;

е) повышенный уровень ионизирующих излучений в рабочей зоне;

ж) повышенная температура поверхностей оборудования;

з) высокое напряжение электрического тока в зарядных устройствах, питающих батареи конденсаторов в цепи питания ламп накачки;

и) повышенный уровень шума и вибрации на рабочем месте, возникающих при работе лазера (лазерной установки);

к) взрывоопасность систем накачки лазеров;

л) запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с мишенью и радиолиза воздуха (озон, окислы азота и др.).

Перечень опасных и вредных факторов, воздействующих на персонал, зависит от конструкции лазерной установки и особенностей выполняемых с ее помощью технологических операций.

Чем выше класс лазерной установки, тем выше опасность воздействия излучения на персонал и тем большее число факторов опасного и вредного воздействия проявляется одновременно (табл. 11.1).

Таблица 11.1

Опасные и вредные факторы лазерных установок

Фактор	Класс лазерной установки
	I	II	III	IV
Лазерное излучение: - прямое, зеркально отраженное - диффузно отраженное	 	 	 	 
Повышенное напряжение электропитания	 			
Повышенный уровень ультрафиолетового излучения			 	
Повышенный уровень инфракрасного излучения			 	
Повышенная яркость света			 	
Повышенный уровень электромагнитных полей ВЧ- и СВЧ-диапазонов				 (+)
Повышенный уровень ионизирующих излучений				
Повышенная температура поверхности оборудования			 	
Повышенный уровень шума и вибрации			 	
Запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны			 	

Примечание. Знаки +, соответственно означают, что факторы имеют место всегда или отсутствуют, а знаки – + указывают, что наличие фактора зависит от характеристики и условий эксплуатации лазеров.