PROMIENIOWANIE LASEROWE I OCHRONY.doc

Promieniowanie laserowe nie występuje w sposób naturalny w środowisku, lecz wytwarzane jest przez specjalnie do tego celu skonstruowane urządzenia nazywane laserami (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Lasery są to generatory promieniowania elektromagnetycznego, najczęściej o długościach fali w zakresie promieniowania optycznego od 100 nm do 1 mm, w których wykorzystywane jest zjawisko emisji wymuszonej promieniowania. Promieniowanie laserowe znacząco różni się własnościami fizycznymi od promieniowania optycznego emitowanego przez konwencjonalne źródła takie jak promienniki nadfioletu, podczerwieni czy źródła światła stosowane do celów oświetleniowych. Mnogość urządzeń i sposobów wytwarzania wiązki laserowej sprawia, że lasery są urządzeniami bardzo zróżnicowanymi, które łączą jedynie pewne cechy emitowanego promieniowania. Lasery mają stosunkowo krótką historię liczącą zaledwie pół wieku. W 1960 roku fizyk amerykański Theodore Maiman i współpracownicy zbudowali pierwszy laser rubinowy [1]. Zapoczątkowało to bardzo dynamiczny rozwój laserów i technologii z nimi związanej. Promieniowanie laserowe stosuje się w różnych procesach technologicznych w przemyśle (np. cięcie, spawanie czy znakowanie laserowe), w medycynie (chirurgia laserowa, lasery biostymulacyjne), nauce oraz wojsku (śledzenie laserowe) i kosmetyce. Należy tu również wspomnieć o powszechnym wykorzystaniu laserów w przemyśle komputerowym oraz filmowym i fonograficznym (drukarki laserowe, odtwarzacze i nagrywarki CD i DVD). Urządzenia telekomunikacyjne coraz częściej wykorzystują światłowody, którymi przenoszone są informacje zakodowane w modulowanej wiązce laserowej. Z promieniowaniem laserowym można również zetknąć się podczas projekcji i widowisk, w których wykorzystuje się lasery do osiągnięcia spektakularnych efektów wizualnych.

Podstawą działania lasera jest emisja wymuszona kwantów energii w ośrodku wzmacniającym (nazywanym również substancją laserującą lub ośrodkiem optycznie czynnym). Działanie lasera polega na wzbudzeniu ośrodka optycznie czynnego a następnie wyzwoleniu energii w postaci kwantu promieniowania spójnego. Promieniowanie laserowe charakteryzuje się wysokim stopniem spójności, monochromatyczności i ukierunkowania a kąt rozbieżności wiązki zwykle nie przekracza kilku miliradianów. Oprócz możliwości skupienia całej energii promieniowania lasera w nadzwyczaj małym paśmie widma i małym kącie bryłowym, można ten sam efekt uzyskać w odniesieniu do czasu. Istotną cecha lasera jest również to, że w większości jego aplikacji można uzyskać generację promieniowania tylko o określonym stanie polaryzacji.

Szeroki zakres zastosowań laserów wiąże się z ich bogatym asortymentem i parametrami, które muszą być ściśle dobrane do potrzeb użytkownika. Laser emituje promieniowanie zazwyczaj o jednej lub kilku długości fal i określonym zakresie mocy przystosowanym do danego zastosowania. Przykłady zastosowań wybranych typów laserów zaprezentowano w tabeli 1.

Lasery można grupować wg ich różnych cech jak np. typ rezonatora, układ pompujący, ośrodek wzmacniający czy rodzaj (reżim) pracy. Z punktu widzenia rezonatora można mówić o laserach z rezonatorem stabilnym lub niestabilnym, liniowym lub pierścieniowym. Układy pompowania mogą wykorzystywać przepływ prądu, naświetlanie fotonami, reakcje chemiczne. Lasery mogą być o działaniu ciągłym lub impulsowym, a te ostatnie z repetycją impulsów. Rozpatrując sposób i rodzaje przejść elektronów między poziomami ośrodka laserującego mówimy o laserach np. trójpoziomowych lub czteropoziomowych. Jednak najczęściej stosowanym i najbardziej ogólnym kryterium podziału laserów jest stan skupienia ośrodków optycznie czynnych. Wyróżniamy tu lasery stałe (kryształ lub szkło jako osnowa), półprzewodnikowe (złączowe), cieczowe (barwnikowe), gazowe (atomowe, jonowe, molekularne). Najpopularniejsze w zastosowaniach technologicznych są lasery CO2, Nd: YAG i excimerowe.

Tabela 1  Zestawienie przykładowych zastosowań wybranych typów laserów

Zagrożenie promieniowaniem laserowym dla zdrowia człowieka odnosi się do oczu i skóry. Uszkodzenie tych tkanek zachodzi zazwyczaj na skutek reakcji termicznych w wyniku absorpcji dużej ilości energii przenoszonej przez promieniowanie laserowe. Najbardziej zagrożone promieniowaniem laserowym są oczy [2]. W zależności od długości fali zagrożone są różne elementy składowe oka. Nadfiolet daleki UVC z zakresu 200- 215 nm i podczerwień o długościach fal powyżej 1400 nm pochłaniane są przez rogówką. Bliski nadfiolet UVA oraz częściowo podczerwień IRA i IRB pochłaniane są przez soczewkę. Natomiast promieniowanie widzialne i bliska podczerwień IRA są przepuszczane do siatkówki. Specjalną uwagę zwraca się na uszkodzenie siatkówki promieniowaniem z zakresu 400 – 1400 nm, które może być szczególnie szkodliwe. Wiąże się to z faktem, że wiązka laserowa o średnicy kilku milimetrów może być skupiona na siatkówce oka do małej plamki o średnicy 10 µm. Oznacza to, że natężenie napromienienia wiązki wchodzącej do oka o wartości 1 mW/cm2 jest efektywnie zwiększone do wartości 100 W/cm2 na siatkówce oka. W rezultacie docierające do siatkówki promieniowanie jest wystarczająco duże aby spowodować uszkodzenie siatkówki. W zależności od miejsca na siatkówce, gdzie skupiane jest promieniowanie laserowe stopień uszkodzenia jest różny. Uszkodzenie w obrębie dołka środkowego może spowodować w rezultacie stałą ślepotę. Skóra jest największym organem ciała człowieka, a ryzyko jej uszkodzenia przez wiązkę laserową jest bardzo duże. Najbardziej zagrożona jest skóra rąk, głowy i ramion. Jednak do wywołania uszkodzeń skóry promieniowaniem laserowym potrzebne są znacznie większe dawki niż w przypadku oka. Promieniowanie laserów pracujących w zakresie widzialnym oraz podczerwonym może wywołać łagodną postać rumienia, jak również przy odpowiednio dużej dawce, być przyczyną poparzeń. Krótkotrwałe impulsy laserowe o dużej mocy szczytowej mogą powodować zwęglenie tkanek.

Jakkolwiek urządzenia laserowe posiadają specjalne osłony oraz wyposażone są w instrukcje bezpiecznego ich użytkowania to zdarzają się przy ich obsłudze wypadki przy pracy, z czego aż 44% wiąże się z ekspozycją na promieniowanie laserowe [3]. Dlatego istotna jest znajomość klasy bezpieczeństwa lasera, które odzwierciedlają stopień szkodliwości danego urządzenia laserowego. W związku z faktem, że promieniowanie laserowe o zróżnicowanych długościach fal i mocach może wywołać różne skutki, podczas oddziaływania z tkanką biologiczną lasery podzielono na siedem klas (wg PN-EN 60825-1: 2000) 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4. Wcześniejszy podział dzielił lasery na pięć klas (1, 2, 3A, 3B, 4). W związku z powyższym producenci są zobligowani do umieszczenia na urządzeniu laserowym informacji o klasie bezpieczeństwa, do której należy dany laser. Dzięki temu użytkownicy tych urządzeń wiedzą, jakie środki bezpieczeństwa mają przedsięwziąć. W tabeli 2 przedstawiono charakterystykę klas laserów.

Tabela 2. Podział laserów i urządzeń laserowych na klasy (PN-EN 60825-1: 2000) [4]