Лазерные технологии неотделимо вошли практически во все сферы деятельности. Лазерная отрасль интенсивно развивается, продолжает получать новые применения и открывать путь новым технологиям. Но замечательные свойства лазерного излучения, которые способствуют выполнению множества технологических операций над разнообразными материалами, вместе с тем создают и высокую опасность поражения человека.

Высокая мощность лазерного излучения ведёт к возможности поражения за малое время. Малый размер пучка способствует сосредоточению энергии на локальном участке. Из-за малой расходимости сохраняется риск поражения при распространении пучка на большие расстояния. В зависимости от параметров лазерного излучения могут существовать угрозы получить поверхностный либо проникающий ожог кожи, опасно повысить внутриглазное давление, повредить сетчатку глаза. Биологические эффекты воздействия лазерного излучения на организм определяются механизмами взаимодействия излучения с тканями (тепловой, фотохимический, ударно-акустический и др.) и зависят от длины волны излучения, длительности воздействия, длительности отдельных импульсов, частоты следования импульсов, площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Согласно требованиям «Санитарных норм и правил устройства и эксплуатации лазеров» 5804-91 при работе с лазерами предусмотрено использование защитных очков, лицевых щитков и насадок, защитной спецодежды, наличие предупреждающих надписей и опознавательных знаков, проведение медицинского осмотра персонала, применение средств дозиметрического контроля и устройств блокировки, прерывающих работу излучателя в случае опасности. Однако лазерные технологические установки содержат не только сам генератор квантового излучения и защитный корпус, а часто включают направляющие зеркала и призмы, линзы, световоды. Не исключена опасность, что пучок излучения случайно отразится и распространится далеко в сторону от установки. При этом наличие опасности от невидимого излучения может быть неочевидно.

После анализа условий труда выявлено, что при эксплуатации лазерных установок на обслуживающий персонал воздействуют следующие опасные и вредные факторы:

- лазерное излучение (прямое, отраженное и рассеянное);

- сопутствующие ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения от источников накачки, плазменного факела и материалов мишени;

- высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания;

- электромагнитное излучение от рентгеновского до радиочастотного диапазона, которое может возникать от элементов лазерной установки;

- повышенная температура поверхностей обрабатываемого изделия;

- шум;

- вибрация;

- продукты взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемыми материалами;

- токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой, систем охлаждения и др.;

- опасность взрыва в системах накачки лазеров;

- напряженность анализаторных (зрение, слух) и моторных функций.

При эксплуатации и разработке лазерных изделий необходимо учитывать также возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

Из вышеизложенного становится очевидной необходимость расчёта параметров лазерного излучения и условий безопасности при использовании лазерных установок.

1.1. Определение параметров лазерного пучка

1.1.1. Соотношения энергетических и пространственных параметров

лазерного пучка

Реальные лазерные пучки могут иметь различную геометрическую структуру и распределение интенсивности по сечению. Известно большое число промышленно выпускаемых лазеров, работающих в одномодовом режиме, то есть излучающих на основной поперечной моде ТEM₀₀. Распределение интенсивности в сечении таких пучков c хорошей точностью можно аппроксимировать функцией Гаусса. В многомодовом режиме работы интенсивность в сечении пучка распределена случайным образом (особенно для импульсных лазеров). Для простоты в дальнейшем будем считать, что при работе лазера в многомодовом режиме распределение интенсивности равномерно по сечению пучка.

В паспортных данных лазеров обычно указываются длина волны излучения, мощность (при непрерывном режиме работы), энергия в импульсе (при импульсном режиме работы), расходимость излучения, диаметр пучка на выходе лазера, частота следования и длительность импульсов.

Основные пространственные параметры гауссова лазерного пучка – расходимость пучка θ, рад; конфокальный параметр 2d_л , м; радиус перетяжки r_пeр , м (рис. 1.1). Под расходимостью лазерного излучения могут понимать разные характеристики. Пространственная расходимость определяется плоским или телесным углом на заданном уровне интенсивности, который устанавливается по отношению к её максимальному значению. И различают энергетическую расходимость, определяемую по заданной доле энергии или мощности, заключенной внутри конуса расходимости. Диаметр d₀ лазерного пучка, связанный линейно с расходимостью, определяется аналогично как диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности.

Рис. 1.1. Основные пространственные параметры гауссова пучка

Обозначим уровень ограничения пространственной расходимости через m, соответствующую расходимость – θ_m , рад; радиус сечения лазерного пучка – r_m , м. Уровень ограничения энергетической расходимости обозначим через n, энергетическую расходимость – θ_n , рад; радиус сечения пучка – r_m , м. Наиболее употребительными значениями уровней ограничения m в настоящее время являются: 0,5; 1/е; 1/е² (ограничение по интенсивности), а уровня ограничения n – 0,7 и 0,9 (ограничение по доле энергии).

Далее в расчетах мы будем применять только уровень m ограничения расходимости θ_m , равный 1/е², поэтому для упрощения при обозначении расходимости и радиуса сечения пучка индекс будем опускать: θ и r.

Распределение энергетической освещенности в сечении гауссова пучка описывается выражением:

E = E_max exp(-2h² / r²), (1.1)

где E – энергетическая освещенность в данной точке сечения пучка, Вт/м²; E_max – энергетическая освещенность на оси пучка; h – расстояние от оси пучка до данной точки, м; r –радиус сечения пучка при ограничении расходимости по уровню 1/е², м. Из формулы (1.1) следует:

m = E / E_max = exp(-2h²/r²). (1.2)

где r_m – радиус сечения пучка при ограничении по уровню m, м.Тогда можно показать, что:

r = r_m / = r_m К, (1.3)

где через К обозначается коэффициент приведения.

Нетрудно увидеть, что для гауссовых пучков существует простая связь уровней ограничения m и n: n = 1 – m.

Значения коэффициента приведения К в зависимости от уровней ограничения m или n приведены в табл. 1.1.Там же даны формулы для приведения численного значения расходимости и радиуса пучка к уровню ограничения по интенсивности 1/е². Нетрудно видеть также, что:

θ_m1 К₁ = θ_m2 К₂ . (1.4)

Т а б л и ц а 1.1. Коэффициент приведения параметров лазерного излучения к уровню 1/е²

Распределение энергетической освещенности в сечении гауссова пучка лазера определяется следующей формулой:

E = , (1.5)

где Р – мощность непрерывного излучения, Вт.

Зависимость радиуса сечения пучка r от расстояния а вдоль оси пучка вычисляется из выражения:

r_m = , (1.6)

где а – расстояние от перетяжки до данного сечения пучка (для простоты а считается далее от центра резонатора), м. Конфокальный параметр 2d_л можно рассчитать по паспортным данным лазера:

2d_л = 8λ / π θ². (1.7)

Если в паспорте расходимость пучка задана на уровне 0,5, нужно привести ее значение к уровню 1/е² (по табл. 1.1).

Для инженерных расчетов удобно пользоваться приближенной формулой:

r = r₀ + , (1.8)

где 2r₀ = d₀ – начальный диаметр пучка (на выходном отверстии лазерной установки), м; l – расстояние от выходного зеркала лазера, м.

С точки зрения безопасности, чаще всего достаточно рассчитать максимальную энергетическую освещенность (на оси пучка):

E_max = 2P/π r². (1.9)

Для нахождения энергетической освещенности пучка лазерного излучения с равномерным распределением интенсивности в сечении используется соотношение:

E_рав = P/π r², (1.10)

где r определяется по формуле (1.8).

Все приведенные формулы и соотношения даны для лазеров с непрерывным излучением. Для импульсного режима работы лазеров следует в формулах заменить мощность непрерывного излучения Р (Вт) энергией импульсного лазерного излучения W (Дж), энергетическую освещенность Е (Вт/м²) энергетической экспозицией Н (Дж/м²).

1.1.2. Параметры лазерного пучка, преобразованного оптической

системой

Во многих устройствах при помощи оптической системы осуществляется управление режимом излучения и взаимодействием пучка излучения с объектом. Оптическая система может быть применена для увеличения или уменьшения диаметра пучка, расходимости или фокусировки лазерного пучка и др. Расчет нормируемых параметров лазерного излучения, прошедшего через оптическую систему, производится так же, как и для прямого облучения, но за исходные данные принимаются параметры пучка, преобразованного оптической системой. Если известны параметры оптической системы и пучка лазера, то параметры преобразованного пучка рассчитываются.

Так, при использовании однокомпонентной оптической системы конфокальный параметр преобразованного гауссова пучка , его расходимость θ' и мощность P' определяются по следующим формулам:

, (1.11)

θ' = θ , (1.12)

P' = P∙τ_ос , (1.13)

где d_л – половина конфокального параметра пучка лазера, м; f  ' – фокусное расстояние оптической системы, м; τ_ос - коэффициент пропускания оптической системы для длины волны λ лазерного излучения. Если оптическая система – многокомпонентная, то последовательно рассматриваются параметры пучка после преобразования каждым элементом оптической системы.

Весьма типичным случаем является отражение лазерного пучка от первой поверхности оптической системы (линзы, объектива, призмы и т.п.), а иногда опасные отражения могут быть и от последующих поверхностей оптической системы. Формы преобразования лазерных пучков при отражении от сферических поверхностей показаны на рис. 1.2. Лазерный пучок преобразуется и приобретает новые пространственные параметры.

Прежде всего необходимо определить фокусное расстояние зеркальной поверхности:

- для вогнутой: f  ' = r_сф /2; (1.14)

- для выпуклой: f  ' = – r_сф /2. (1.15)

Параметры исходного гауссова пучка определяется из соотношений (1.5) – (1.9), а конфокальный параметр отраженного пучка и его расходимость θ' находится также как при облучении прямым гауссовым пучком.

Рис. 1.2. Отражение гауссова пучка лазерного излучения от вогнутой (а) и выпуклой (б) сферических зеркальных поверхностей

При этом расстояние от отражающей поверхности до перетяжки преобразованного пучка определяется согласно формуле:

a' = f  ' – . (1.16)

Расчет уровней облучения и ЛОЗ, создаваемых гауссовых пучком, отраженным от сферической поверхности, аналогичен расчету для прямого гауссова пучка: при этом за исходные данные принимаются параметры отраженного пучка с учетом ослабления мощности при отражении. В большинстве случаев ЛОЗ, создаваемая отраженным от сферической поверхности пучком, короче и шире, чем ЛОЗ при прямом облучении.

При ориентировочных расчетах коэффициент отражения η лазерного излучения от поверхности стеклянной оптической детали принимается равным 0,96 (потому что потери на френелевское отражение обычно принимаются равными 4 %). А более точное значение рассчитывается из соотношения:

η = (n_пр – 1/n_пр + 1)², (1.17)

где n_пр – коэффициент преломления материала оптической детали для данной длины волны излучения лазера.

Радиус сечения преобразованного пучка с равномерным распределением интенсивности при отражении от зеркальной поверхности будет:

- от выпуклой: r = (d₀ + θ l₁)(l₂ + 0,5 r_сф) / r_сф ; (1.18)

- от вогнутой поверхности:r = (d₀ + θ l₁)(l₂ – 0,5 r_сф) / r_сф . (1.19)

где d₀ – диаметр пучка на выходе лазера, м; l₁ – расстояние от выходного зеркала лазера до отражающей поверхности, м; l₂ – расстояние от отражающей поверхности до данной точки, м; r_сф – радиус сферической поверхности, м. Формула (1.19) применима для ситуации, когда l₂ больше фокусного расстояния сферической поверхности. При l₂ , близком к фокусному расстоянию, следует пользоваться следующей формулой для расчета радиуса сечения отраженного пучка:

r = θ r_сф /4. (1.20)

Расходимость отраженного пучка будет равна:

θ' = 2 arctg[(d₀ + θ l₁) / r_сф]. (1.21)

Энергетическая освещенность на роговице или коже определяется выражением:

E = , (1.22)

где τ_а1 и τ_а2 – коэффициенты пропускания среды на пути до оптического элемента и после него.

1.2. Расчёт предельно допустимых уровней лазерного излучения при

воздействии на глаза и кожу

1.2.1. Общие характеристики воздействия

В соответствии с СанПиН 5804-91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» устанавливаются предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения в диапазоне длин волн 180 – 10⁵ нм при различных условиях воздействия на глаза и кожу человека. ПДУ лазерного излучения определяются по-разному для различных условий облучения. Сначала рассмотрим следующие два случая:

- однократное воздействие, которое соответствует случайному воздействию излучения с длительностью не превышающей 3·10⁴ с. Тогда ПДУ при однократном воздействии это те уровни излучения, при воздействии которых существует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в организме работающего.

- хроническое воздействие, отвечающее систематическому повторению воздействия, которому подвергаются люди, профессионально связанные с лазерным излучением. ПДУ при хроническом воздействии это такие уровни излучения, воздействие которых при работе установленной продолжительности в течение всего трудового стажа не приводит к травме (повреждению), заболеванию или отклонению в состоянии здоровья работающего в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.

При определении ПДУ лазерного излучения рассматривают случаи воздействия отдельного импульса и серии импульсов. Причем в случае серии импульсов играют роль длительность отдельного импульса τ _и в серии и частота ν следования импульсов.

При этом ПДУ лазерного излучения устанавливаются для трех диапазонов длин волн:

- диапазон I: 180 <  λ ≤ 380 нм;

- диапазон II: 380 <  λ ≤ 1400 нм;

- диапазон III: 1400  < λ ≤ 10⁵ нм.

Также при нормировании ПДУ лазерного излучения могут играть роль параметры пучка излучения:

- коллимированное лазерное излучение заключено в ограниченном телесном угле, в этом случае наблюдается прямой пучок или зеркально отраженный пучок (то есть отраженный под углом, равным углу падения);

- неколлимированное лазерное излучение возникает в случае рассеяния или диффузионного отражения. Рассеянное лазерное излучение отклоняется на поверхности или внутри среды таким образом, что изменяет пространственное распределение и рассеивается сразу во множестве направлений (без изменения длины волны излучения). И если излучение отражается от поверхности, соизмеримой с длиной волны, и направлено по всевозможным направлениям в пределах полусферы, то имеет место диффузно отраженное лазерное излучение.

Источником излучения может являться протяженный объект, это значит, что угловой размер источника лазерного излучения больше предельного угла. Такая ситуация может возникнуть в случае диффузного отражения лазерного излучения. Тогда ПДУ лазерного излучения зависят от видимого углового размера α этого источника. Видимый угловой размер α источника излучения, рад это величина, которая в общем случае определяется из выражения:

α = , (1.23)

где S₀ – площадь источника, м²; l – расстояние от точки наблюдения до источника, м; θ – угол между нормалью к поверхности источника и направлением визирования, рад. Предельный угол соответствует такому угловому размеру источника, при котором последний может рассматриваться как точечный.

Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются энергетическая экспозиция H и энергетическая освещенность E, усредненные по ограничивающей апертуре. Также нормируемыми параметрами являются также энергия W и мощность P излучения, прошедшего через ограничивающие апертуры. Апертура это отверстие в защитном корпусе лазера или диафрагма, через которую проходит лазерное излучение.

При воздействии лазерного излучения на кожу в любом диапазоне или на глаза в диапазонах I и III определяются предельно допустимые уровни энергетической экспозиции H_пду (Дж/м²) и энергетической освещенности Е_пду (Вт/м²), усреднение производится по ограничивающей апертуре диаметром 1,1·10^-3 м (площадь апертуры S_a = 10^-6 м²). При воздействии на глаза лазерного излучения в диапазоне II первостепенно нормируются энергия W_пду (Дж) и мощность P_пду (Вт) лазерного излучения, усреднение производится по апертуре диаметром 7·10^-3 м.

Данные энергетические параметры связаны соотношениями:

Н_пду  = Е_пду·t ; ; . (1.24)

Параметры Н_пду, Е_пду и W_пду, Р_пду могут использоваться независимо в соответствии с решаемой задачей.

В случае одновременного воздействия лазерного излучения нескольких различных источников ПДУ для каждого диапазона и условий облучения устанавливаются независимо.

1.2.2. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 180 <  λ ≤ 380 нм

ПДУ при однократном облучении глаз и кожи

Соотношения для определения Н_пду, Е_пду и W_пду, Р_пду при однократном воздействии на глаза и кожу одиночных импульсов коллимированного или рассеянного лазерного излучения в диапазоне 180 < λ ≤ 380 нм приведены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а 1.2. Соотношения для определения Н_пду, Е_пду и W_пду, P_пду при однократном воздействии на глаза и кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения в спектральном диапазоне I (180 < λ ≤ 380 нм)

Для определения предельно допустимых уровней лазерного излучения в диапазоне 180 < λ ≤ 380 нм при воздействии на глаза и кожу серий импульсов необходимо руководствоваться следующими требованиями:

а) Энергетическая экспозиция H_i или энергетическая освещенность E_i поверхностей роговицы и кожи при воздействии любого отдельного импульса из рассматриваемой последовательности не должны превышать предельно допустимых значений для одиночных импульсов и Е_пду(τ _и), определяемых по табл. 1.2. Если временный интервал между облучениями отдельными импульсами меньше 600 с, значения Н_пду (Е_пду) и W_пду (Р_пду) определяются согласно рекомендациям п. 1.2.4 по формулам (1.31).

б) Так как воздействие на биологические ткани излучения в диапазоне 180 < λ ≤ 380 нм обладает свойством аддитивности (суммирования), при условии выполнения предыдущего требования однократная суточная доза H^λ (3·10⁴) не должна превышать значений, определяемых в табл. 1.3:

H^λ (3·10⁴) = H_i(τ _и) ≤ (3·10⁴), (1.25)

где М – количество импульсов в серии.

Т а б л и ц а 1.3. Предельные однократные суточные дозы при облучении глаз и кожи лазерным излучением в спектральном диапазоне I (180 <λ ≤ 380 нм)

Когда на коже или роговице глаза пучок излучения малого диаметра концентрируется в области, наименьший размер которой равен или меньше диаметра ограничивающей апертуры 1,1·10^-3 м, тогда максимальное значение энергетической освещенности Е и энергетической экспозиции Н не должно превышать значений Е_пду и Н_пду для уже описанных случаев.

ПДУ хроническом облучении глаз и кожи

Для определения предельно допустимых значений Н_пду и Е_пду, W_пду и Р_пду, a также предельных суточных доз (3·10⁴) при хроническом облучении глаз и кожи коллимированным или рассеянным лазерным излучением в диапазоне длин волн I (180 < λ ≤ 380 нм) необходимо уменьшить в 10 раз соответствующие предельные значения для однократного облучения.

1.2.3. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 380 < λ ≤ 1400 нм

ПДУ при однократном облучении глаз

Соотношения для определения W_пду и Р_пду при воздействии на глаза коллимированного лазерного излучения в диапазоне 380 < λ ≤ 1400 нм приведены в табл. 1.4 и 1.5.

Т а б л и ц а 1.4. Соотношения для определения W_пду при однократном воздействии на глаза коллимированного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ  ≤ 1400 нм). Длительность воздействия меньше 1 с

Т а б л и ц а 1.5. Соотношения для определения Р_пду при однократном воздействии на глаза коллимированного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ  ≤ 1400 нм). Длительность облучения больше 1 с

Если источником неколлимированного излучения является протяженный объект, то предельно допустимые значения энергии и мощности зависят от видимого углового размера α этого источника и находятся умножением значений W_пду и Р_пду для коллимированного излучения на поправочный коэффициент B. Аналитические соотношения для расчета величины B даны в табл. 1.6. Причем, если α ≤ α_пред, то величина B принимается равной единице.

Т а б л и ц а 1.6. Зависимость величины поправочного коэффициента B от видимого углового размера протяженного источника излучения α для различных интервалов длительностей облучения

В случае воздействия серии импульсов поправочный коэффициент B принимает значение, соответствующее длительности отдельного импульса в серии.

Предельно допустимые уровни при воздействии на глаза серий импульсов коллимированного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ ≤ 1400 нм) установлены для случаев, когда длительность отдельного импульса в серии τ _и не превышает 0,25 с, а частота ν следования импульсов в серии больше 0,005 Гц (интервал между отдельными импульсами в серии меньше 200 с).

Если ν ≤ 0,005 Гц, воздействие на глаза отдельных импульсов излучения считается независимым. При этом нормируется значение энергии импульса, имеющего максимальную амплитуду:

Если ν > 0,005 Гц, значение предельно допустимой энергии серии импульсов излучения длительностью t при воздействии на глаза равно меньшему из двух значений энергии W₁ и W₂, которые определяются формулами:

W₁ = W_пду(t); W₂ = W_пду(τ _и), (1.26)

где W_пду(t) и W_пду(τ _и) – предельно допустимые значения энергий одиночных импульсов длительностью t и τ _и, соответственно; N – количество импульсов в серии; – определяется отношением максимальной энергии отдельного импульса в рассматриваемой серии к среднему значению:

. (1.27)

В тех случаях, когда неизвестно, следует считать  = 1.

Предельно допустимое среднее значение энергии одного импульса из серии N импульсов будет равно:

. (1.28)

Когда длительность серии импульсов превышает 1 с, целесообразно определять значение предельно допустимой средней мощности , которая равна меньшему из двух значений мощности P₁ и P₂, определяемых формулами:

P₁ = P_пду(t); P₂ = , (1.29)

где Р_пду(t) – значение предельно допустимой мощности импульса длительностью t для коллимированного излучения.

Если источником излучения является протяженный объект, то предельно допустимые значения энергии серии импульсов , средней мощности излучения в серии , энергии одного импульса в серии определяются умножением предельных значений, заданных формулами (1.26) и (1.29), на поправочный коэффициент B, приведенный в табл. 1.5:

 = B ·,  = B ·,  = B ·. (1.30)

ПДУ при хроническом воздействии на глаза

Для определения предельно допустимых значений W_пду и Р_пду коллимированного или рассеянного лазерного излучения в диапазоне II (380 < λ ≤ 1400 нм) при хроническом воздействии на глаза необходимо уменьшить в 10 раз соответствующие предельные значения для однократного облучения.

ПДУ при однократном облучении кожи

Соотношения для определения значений Н_пду и Е_пду, а также W_пду и Р_пду при однократном воздействии на кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения в спектральном диапазоне 380 < λ ≤ 1400 нм приведены в табл. 1.7.

Предельно допустимые уровни при облучении кожи сериями импульсов определены в п. 1.2.4.

Т а б л и ц а 1.7. Соотношения для определения Н_пду, Е_пду и W_пду, Р_пду при однократном воздействии на кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения в спектральном диапазоне II (380 < λ  ≤ 1400 нм)

ПДУ при хроническом облучении кожи

Для определения предельно допустимых значений Н_пду, Е_пду и W_пду, Р_пду при хроническом воздействии на кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения в диапазоне II (380 < λ ≤ 1400 нм) необходимо уменьшить в 10 раз соответствующие предельные значения для однократного облучения.

1.2.4. ПДУ лазерного излучения в диапазоне 1400 < λ ≤ 10⁵ нм

ПДУ при однократном облучении глаз и кожи

Соотношения для определения Н_пду, Е_пду и W_пду, Р_пду при однократном воздействии на глаза и кожу импульсного или непрерывного коллимированного или рассеянного излучения в диапазоне III (1400 < λ ≤ 10⁵ нм) приведены в табл. 1.8.

Предельно допустимые уровни энергетической экспозиции и энергетической освещенности при воздействии на глаза и кожу серий импульсов лазерного излучения в диапазоне III (1400 < λ ≤ 10⁵ нм) устанавливаются для случаев, когда длительность отдельного импульса в серии не превышает 10 с, а частота ν следования импульсов превышает 1,7·10^-3 Гц (временной интервал между отдельными импульсами меньше 10 минут).

Значение предельно допустимой энергетической экспозиции серии импульсов коллимированного или рассеянного лазерного излучения определяется как меньшее из двух значений H₁ и H₂, заданных формулами:

H₁ = H_пду(t); H₂ = H_пду(τ _и) . (1.31)

Параметр определен в п. 1.2.2 при помощи формулы (1.27).

Среднее значение предельно допустимой энергетической экспозиции одного импульса из серии определяется делением на число импульсов в серии N.

Если длительность серии импульсов превышает 1 с, целесообразно определять значение предельно допустимой средней энергетической освещенности , которая будет равна меньшему из двух значений Е₁ и Е₂, определяемых формулами:

E₁ = E_пду(t); E₂ = . (1.32)

Во всех случаях  = 10^-6·,  = 10^-6·E_пду(t).

Если ν ≤ 1,7·10^-3 Гц, то воздействие на глаза и кожу отдельных импульсов излучения считается независимым. При этом нормируется значение энергетической экспозиции для импульсов, имеющих максимальную амплитуду: H^c(τ _и)_max ≤ .

Т а б л и ц а 1.8. Соотношения для определения Н_пду, Е_пду и W_пду, Р_пду при однократном воздействии на глаза и кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения в спектральном диапазоне III (1400 < λ  ≤ 10⁵ нм)

ПДУ при хроническом воздействии на глаза и кожу

Для определения значений Н_пду, Е_пду и W_пду, P_пду при хроническом воздействии на глаза и кожу коллимированного или рассеянного лазерного излучения в спектральном диапазоне III (1400 – 10⁵ нм) необходимо уменьшить в 5 раз соответствующие предельные значения для однократного облучения.

1.3. Средства защиты от лазерного излучения

Средства защиты должны снижать уровни лазерного излучения, действующего на человека, до величин ниже ПДУ. Средства защиты от лазерного излучения подразделяются на коллективные и индивидуальные. Выбор средства защиты в каждом конкретном случае осуществляется с учетом требований безопасности для данного процесса. Средства индивидуальной защиты от лазерного излучения включают в себя средства защиты глаз и лица (защитные очки, щитки, насадки), средства защиты рук, специальную одежду.

При выборе средств индивидуальной защиты необходимо учитывать:

- рабочую длину волны излучения;

- оптическую плотность светофильтра.

Оптическая плотность светофильтров, применяемых в защитных очках, щитках и насадках, для диапазонов лазерного излучения I и III должна удовлетворять требованиям:

D_λ ≥ lg либо D_λ ≥ lg (1.33)

а для диапазона II:

D_λ ≥ lg или D_λ ≥ lg, (1.34)

где H_max, E_max, W_max, P_max – максимальные значения энергетических параметров лазерного излучения в рабочей зоне, Н_пду, Е_пду, W_пду, P_пду – предельно допустимые уровни энергетических параметров при хроническом облучении.

1.4. Расчет уровней лазерного облучения и границ лазерно

опасной зоны

Лазерно опасная зона (ЛОЗ) это часть пространства, в пределах которого уровень лазерного излучения превышает предельно допустимый. Значение уровней лазерного облучения и положение границ ЛОЗ можно установить измерением уровней излучения в пространстве, окружающем лазерную установку, или расчетным путем. Предварительный расчет также полезен при экспериментальном определении границ ЛОЗ, что позволяет уменьшить количество измерений. ЛОЗ могут создаваться прямым, отраженным (зеркально или диффузно) излучением от различных поверхностей и материалов, а также излучением, рассеянным в атмосфере.

1.4.1. Уровни облучения и границы ЛОЗ, создаваемые прямым и

отраженным лазерным излучением

Энергетическая освещенность при облучении гауссовым пучком определяется по формуле (1.5). Если учесть ослабление в атмосфере и параметры оптической системы прибора наблюдения, то:

E = , (1.35)

где τ_а – коэффициент пропускания атмосферы; τ_пр – коэффициент пропускания и телескопической системы прибора наблюдения; Г_пр – увеличение этой системы. Для невооруженного глаза ; τ_пр = 1 и Г_пр = 1.

Границы ЛОЗ определяются из условия: E = E_пду . С учетом этого условия из выражения (1.35) определяется выражение:

r_лоз =  (1.36)

где r_лоз – радиус опасной зоны, м. Иначе говоря r_лоз это расстояние от оси пучка, на котором создастся энергетическая освещенность, равная предельно допустимому уровню. Параметр r определяется по формулам (1.6) или (1.8).

Из условия обращения в нуль подкоренного выражения в уравнении (1.36) определяется l_лоз – длина лазерно опасной зоны, м:

E_max =  = E_пду . (1.37)

Тогда из этого выражения (37) снова можно определить радиус сечения пучка r на расстоянии от лазера, равном l_лоз :

r = . (1.38)

Теперь появляется возможность определить параметр l_лоз путём приравнивания выражения (1.38) к выражениям (1.6) или (1.8). При этих расчетах необходимо знать величины τ_а , τ_пр , Г_пр .

Вид ЛОЗ для гауссова пучка показан на рис. 1.3, а.

Рис. 1.3. Характер лазерно опасной зоны, создаваемой пучком лазерного излучения: а) гауссовый пучок; б) пучок с равномерным распределением интенсивности

При расчетах уровней облучения и ЛОЗ пучком с равномерным распределением интенсивности можно пользоваться следующими упрощенными формулами. Радиус сечения пучка на расстоянии l от лазера определяется по формуле (1.8). Энергетическая освещенность, создаваемая таким пучком, будет определятся как:

E = . (1.39)

Расстояние, при котором выполняется условие E = E_пду соответствует длине опасной зоны l_лоз . Непосредственный расчет l_лоз (при известном значении τ_а , τ_пр , Г_пр ) осуществляется по формуле:

l_лоз = , (1.40)

а наибольший радиус опасной зоны вычисляется как:

r_лоз = . (1.41)

Вид ЛОЗ для пучка с равномерным распределением интенсивности показан на рис. 1.3, б.

Определение границ ЛОЗ, создаваемой отраженным (преобразованным в оптической системе) пучком, производится так же, как и для прямого облучения, но за исходные данные принимаются параметры пучка, преобразованного оптической системой.

Совсем по-другому происходит преобразование пучка при диффузном отражении, которое часто встречается на практике. Диффузно отражающая поверхность является отражающей по закону Ламберта (идеально диффузной) в том случае, если излучение отражается во все стороны равномерно, то есть яркость отраженного излучения не зависит ни от угла падения исходного пучка, ни от угла, под которым производится наблюдение. В большинстве случаев при расчетах считают диффузно отражающую поверхность идеально матовой. Обычно это дает завышенные результаты при расчете уровней облучения, что оправдано с точки зрения безопасности.

При расстояниях l₂ от отражающей поверхности до глаза (кожи), намного превышающих размер светового пятна на отражающей поверхности, энергетическая освещенность роговицы глаза (кожи) не зависит от характера распределения интенсивности по сечению лазерного пучка:

E = , (1.42)

где ε – коэффициент энергетической яркости (отношение энергетической яркости облученной поверхности к энергетической яркости идеально матовой поверхности); γ – угол наблюдения, рад. Далее будет приниматься ε = 1.

ЛОЗ, создаваемые диффузно отраженным излучением, определяются так: задается ряд направлений от светового пятна на отражающей поверхности, и для каждого направления задается ряд расстояний от поверхности; для каждого расстояния рассчитывается уровень облучения. Если заданы коэффициенты пропускания атмосферы τ_а1 и τ_а2, то расстояние l_лоз , на котором уровень облучения равен ПДУ для каждого направления определяется согласно формуле:

l_лоз = . (1.43)

Характер опасной зоны при диффузном отражении лазерного излучения от экрана показан на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема лазерно опасной зоны при диффузном отражении от экрана.

Здесь: 1 – лазер, 2 – рассеивающая мишень, l_лоз1 – граница зоны опасной для кожи, l_лоз2 – граница зоны опасной для глаз

1.4.2. Уровни облучения, создаваемые излучением, рассеянным в

атмосфере или воде

При прохождении пучка лазерного излучения через атмосферу или воду часть его энергии поглощается, а часть рассеивается по различным направлениям. Распределение рассеянной энергии характеризуется индикатрисой рассеяния β(φ), которая может быть определена следующими способами:

β(φ) = I_e(φ) / I_e рав (1.44)

или β(φ) = μ_p(φ) / μ_p , (1.45)

где I_e(φ) и I_e рав – интенсивность рассеянного излучения в направлении под углом φ к оси пучка и при равномерном рассеянии соответственно, Вт/м²; μ_p(φ) – показатель рассеяния излучения в направлении под углом φ к оси пучка; μ_p – показатель рассеяния излучения в объёме.

Процессы рассеяния излучения в атмосфере очень сложны и зависят от большого числа метеорологических факторов, которые достаточно трудно учесть при расчетах. В океане процессы рассеяния излучения в ещё большей степени зависят от состава и солёности вод, наличия живых организмов и т.п. Рассмотрим здесь наиболее важные практические случаи – рассеяние вперед и назад (системы связи и локации, дальномерные исследования), причем ограничимся условиями относительно прозрачной атмосферы и относительно чистого океана при однократном рассеянии.

При однократном рассеянии вперед для излучения существует следующая зависимость:

P = P₀ δ e^-δ β(0) w / 2π, (1.46)

где P₀ – мощность излучения, падающего на рассеивающую среду, Вт; β(0) – значение индикатрисы рассеяния при 0^о; w – телесный угол распространяющегося пучка, стерад; δ – оптическая толщина среды, м. Здесь δ = μ_pL, где L – геометрическая длина рассеивающего слоя (длина зондируемой трассы), м.

Учет яркости фона рассеянного назад излучения особенно важен при лазерной локации рассеивающей среды. Можно определить поток рассеянного излучения, попадающего на приемный объектив, при следующих упрощениях: расстояния от источника излучения и приемника до рассеивающего объема равны; индикатриса рассеяния для углов, близких к 180°, не зависит от угла рассеяния; диаметр приемного объектива много больше диаметра лазерного пучка; углы расходимости пучка и поля зрения приемника малы. Тогда без учета потерь в приемной оптической системе будет наблюдаться следующая зависимость:

P = 2P₀ Q β(π) μ_p² [Ф(х₀) – Ф(х₁)], (1.47)

где β(π) – индикатриса рассеяния для углов, близких к 180°; Q – площадь приемной оптической системы, м²; х₀ = 2μ_p l₀ ; х₁ = 2μ_p·L; l₀ – минимальное расстояние до рассеивающего объема (при расчётах l₀ можно принять равным 4 – 5 м для типичной схемы расположения приемника и передатчика в лазерном локаторе).

Табличная функция Ф(х) выражается следующим образом:

Ф(х) = .

Также можно найти значение этой функции, представив её в виде:

Ф(х) = , где E_i(х) = .

E_i(х) тоже табличная функция и находится из справочника.

Для ориентировочных расчетов значения индикатрисы рассеяния атмосферы для указанных условий вблизи углов 0 и 180° приведены в табл. 1.9. Для различных длин волн лазерного излучения, используемого при зондировании атмосферы, в табл. 1.10 приведены показатели аэрозольного рассеяния. Показатели молекулярного рассеяния в океане даны в табл. 1.11. Значения индикатрисы рассеяния океана следует вычислить при помощи формулы (1.45) на основе табл. 1.11 и 1.12.

Т а б л и ц а 1.9. Индикатриса рассеяния атмосферы на различных углах падения излучения

Т а б л и ц а 1.10. Показатели аэрозольного рассеяния излучения различных длин волн в атмосфере для различных значений дальности видимости S_M

Т а б л и ц а 1.11. Показатели молекулярного рассеяния излучения различных длин волн в океане (получено в Тихом океане)

Т а б л и ц а 1.12. Значения показателя рассеяния излучения μ_p(φ) на различных углах падения для чистой океанской воды (λ = 546 нм, 20 °С, солёность 35 промиле)

1.5. Порядок проведения расчетов

Исходные данные для проведения расчетов ПДУ и определения границ ЛОЗ содержатся в П р и л о ж е н и и 1. Там представлены характеристики современных, серийно выпускаемых лазеров и необходимые численные данные. Варианты оптических схем передачи пучка лазерного излучения, представленные в П р и л о ж е н и и 2, отвечают различным случаям применения лазерных технологий.

Последовательность проведения расчетов следующая:

1. Для одномодового лазера необходимо значения расходимости и диаметра пучка на выходном зеркале привести к уровню ограничения 1/е² при помощи табл. 1.1. При этом следует считать, что для чётных вариантов параметры даны по уровню ограничения пространственной расходимости 0,3; а для нечётных – по уровню ограничения энергетической расходимости 0,5.

2. Если в оптической схеме присутствуют сферические зеркала либо линзы, значит имеет место преобразование пучка лазерного излучения – меняется расходимость θ (от которой будет зависеть и размер сечения пучка). Тогда параметры пучка следует последовательно определить после каждого такого элемента при помощи формул (1.11) – (1.17) или (1.18) – (1.22).Если происходит взаимодействие излучения с оптическим элементом: зеркальное либо диффузное отражение, прохождение излучения через оптическую систему, значит уменьшается мощность P.

3. Зная длину волны излучения, следует определить его диапазон. Зная режим работы лазера, время воздействия на организм человека, следует определить следующие параметры излучения: одиночный импульс или серия импульсов (иначе говоря, непрерывное или импульсное), однократное или хроническое. Теперь следует выбрать соответствующие случаи определения ПДУ согласно указаниям п. 1.2. В разных случаях может требоваться определить значения ПДУ одного или нескольких параметров: энергетической экспозиции Н_пду, облученности Е_пду, энергии W_пду или мощности Р_пду. Если предусмотрено, то данные параметры определяются и для глаз, и для кожи.

Следует рассматривать случай хронического облучения, если время воздействия излучения составляет 1 час и более.

4. Уровни ПДУ сравниваются с реальными облучением, которое может получить человек от излучения, прошедшего через оптическую систему. Для этого мощность Р прошедшего излучения (с учётом всех потерь) согласно соотношениям (1.24) преобразуется к тому же виду, что и нормировочные энергетические параметры. Если в оптической схеме отсутствуют рассеивающие элементы (варианты оптических схем: б, в, д), значит на выходе из неё будет пучок излучения, тогда для вычисления привлекается диаметр этого пучка. А при наличии диффузно отражающих экранов, мишеней и т.д. (варианты оптических схем: а, г) возникает рассеяние излучения в сферической области, тогда в расчёте используется площадь апертуры S_a .

Если рассматривается рассеяние в атмосфере или в океане (варианты оптических схем: е – з), то следует провести расчёт величины мощности излучения, прошедшего через слой среды, при помощи формул, данных в п. 1.4.2. При этом в случае рассеяния вперед (вариант оптической схемы: ж) вычислить Р следует для нескольких значений телесного угла w распространяющегося пучка, а именно: 2°, 5°, 10°.

5. Когда определены ПДУ и реальные параметры лазерного излучения, можно легко найти оптическую плотность светофильтров для защиты от данного излучения по формулам (1.33) или (1.34).

6. В заданиях, не рассматривающих рассеяние в среде (варианты оптических схем: а – д), определяются границы ЛОЗ. Для пучка излучения элементы (варианты оптических схем: б, в, д) вычисляются значения величин r_лоз и l_лоз по формулам, приведённым в п. 1.4.1.

При диффузном рассеянии (варианты оптических схем: а, г) нужно определить l_лоз для сферообразной ЛОЗ по формуле (1.43). Вычислить l_лоз следует для нескольких значений углов γ, под которыми можно наблюдать отражающую поверхность, а именно: 20°, 30°, 45°, 60°, 70°. При этом для диапазона II для каждого из указанных углов предварительно определяется угловой размер α источника излучения по формуле (1.23).

Для всех вариантов заданий принимается τ_а1 = τ_а2 = 0,8; τ_оп = 1; Г_пр = 1; τ_ос = 0,9.

Пример. Расчитаем предельно допустимые уровни облучения и границу лазерно опасной зоны для излучения жидкостного лазера FL 3002Е на красителях компании «Lambda Physik» (США).

Данное излучение обладает следующими параметрами: импульсный режим, гаусово распределение интенсивности (то есть соответствует одной моде), мощность Р_ср до 25 Вт, расходимость θ = 0,4 мрад, диаметр пучка на выходе из резонатора d₀ = 1 мм, частота ν следования импульсов до 1кГц, энергия в отдельном импульсе W(τ _и) до 25 мДж, длительность импульса τ _и = 0,5 мс. Диапазон генерации лазера простирается от 330 до 860 нм благодаря перестройке параметров установки, а мы рассмотрим случай, когда длина волны λ = 350 нм. Заданы время воздействия излучения t = 15 с, уровень ограничения пространственной расходимости m = 1/е, коэффициент отражения излучения на образце η₁ = 0,5. Оптическая схема передачи пучка лазерного излучения представлена на рис. 1.5. Рассматриваемая ситуация может соответствовать случайному воздействию излучения на персонал, обслуживающий установку.

Рис. 1.5. Пример оптической схемы передачи пучка лазерного излучения

Так как рассматриваемый пучок излучения является одномодовым, то сначала приведём его параметры к уровню ограничения 1/е². Для m = 1/е согласно табл. 1.1 примем коэффициент приведения К = 1,414 , следовательно: θ = θ_m∙К = 0,566 мрад, r = r_m∙К = 1,414 мм.

Из рис. 1.5 следует, что излучение рассеивается на некотором образце, а после этого отражается от плоского зеркала. Задача исследователя сводится к определению опасности нахождения человека в ЛОЗ, формирующейся при рассеянии. Конечно подразумевается, что рассеяние – диффузионное, поэтому в последующем расчёте параметры пучка всё-таки не будут играть роли. Также отметим, что после плоского зеркала преобразования потока излучения не происходит, значит на l_лоз повлияют только потери при отражении от этой поверхности.

Далее определим предельно допустимый уровень облучения. При длине волны 350 нм следует руководствоваться рекомендациями п. 1.2.2. «ПДУ лазерного излучения в диапазоне 180 <  380 нм». Согласно табл. 1.2 определим значение энергетической экспозиции для одиночного импульса H_пду(τ _и) = 4,4·10³  = 5,8·10³ Дж/м².

Но исследуемое излучение является импульсным, и очевидно, что за 15 с произойдёт воздействие серии импульсов (то есть значение H_пду(τ _и) не является нормирующим). Вместе с тем, воздействие излучения не является хроническим. Поэтому из табл. 1.3 определяется предельная суточная доза (3·10⁴) = 8·10³ Дж/м². В остальном будем следовать формуле (1.31) и определим значение предельно допустимой энергетической экспозиции серии импульсов как меньшее из двух значений:H₁ = H_пду(t) и H₂ = H_пду(τ _и) .

Поскольку воздействие лазерного излучение однократно, то получим H₁ = H_пду(t) = (3·10⁴).

Согласно п. 1.2.3 возьмём параметр = 1. Количество импульсов в серии N = t/ν = 15·10³ шт. Тогда вычислим H₂ = H_пду(τ _и)  = 7,1·10⁵ Дж/м².

Таким образом приходим к результату, что предельно допустимым уровнем облучения будет  = H₁ = 8·10³ Дж/м².

Теперь найдём энергетическую экспозицию H излучения, действующего на человека. Сначала выявим потери в оптической системе. Так как коэффициент отражения излучения от поверхности зеркала η₂ не задан, то по рекомендации п. 1.2.2 примем его равным 0,96. Значит после того, как поток излучения отразится от зеркала, он потеряет 4 % мощности. И вот, с учётом соотношений (1.24) получим для рассеянного излучения, прошедшего через оптическую систему: H =  η₁ η₂ = 18·10⁷ Дж/м².

Расчёт показывает, что H > H_пду, следовательно при случайном воздействии лазерного излучения на персонал будет обязательно возникать опасность поражения.

Определим оптическую плотность защитных светофильтров для лазерного излучения, прошедшего через оптическую систему. Для диапазона I согласно п. 1.3: D_λ ≥ lg = 4,35. Отметим, что для обеспечения большей безопасности можно было бы рассчитать D_λ для излучения на выходном отверстии лазера.

На следующем этапе расчёта определим границу ЛОЗ по формуле (1.43): l_лоз = , причём, как требуется в описании порядка расчёта, для нескольких значений угла наблюдения γ. Учтём, что по формуле (1.24) Н_пду = Е_пду·t.

Наконец, длина ЛОЗ l_лоз^* с учётом влияния зеркала вычисляется следующим образом: l_лоз^* = (l_лоз – l₂)·η₂ .

Представим результаты расчёта в табл. 1.13.

Т а б л и ц а 1.13. Результаты расчёта примерного задания

Варианты задания «Лазерная безопасность»: Характеристики

Примечание: Н – непрерывный; И – импульсный; Р – равномерное распре-

П р и л о ж е н и е 1

серийно выпускаемых лазеров и исходные данные для расчёта