Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

длина волны или область спектра излучения;
оптическая плотность при определенной длине волны;
максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
тип лазерной системы;
режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
возможности отражения - зеркального и диффузного;
поле зрения;
наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
комфорт;
наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
влияние на цветовое зрение;
ударопрочность;
возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Чтобы было понятно, что там внутри и зачем оно вообще там нужно, хотелось бы начать с краткого описания того как лазеры работают вообще. Итак:

Теория (скучная)

Лазер это гениально простое для понимания принципа его функционирования устройство. В то же время, для того, чтобы лазер заработал, нужно учесть кучу нюансов, что открывает огромный простор для творчества инженеров. Это как с атомной бомбой: вот есть два куска урана по половине критической массы, складываем их – ан нет, не взрывается что-то, только на сапоги стекает.

Все мы знаем, что если атому или молекуле вещества сообщить некоторую энергию, то через какое-то время этот атом/молекула от нее избавится – возможно даже, испустив квант излучения (если не столкнется с каким-нибудь другим атомом раньше). Это спонтанное излучение, и так работает лампочка: спираль нагревается электрическим током, тепловая энергия атомов (и вольфрама и всех примесей) переходит в энергию излучения. При этом спектр такого излучения примерно соответствует спектру абсолютно черного тела и представляет собой кучу разных длин волн с характерным пиком интенсивности для данной температуры.

В то же время, если по возбужденному атому ударить фотоном определенной частоты, не дожидаясь, пока атом скатится на нижний энергетический уровень сам, то в результате поглощения такого фотона атом снизит свою энергию на энергию фотона и выпустит два совершенно одинаковых фотона, идентичных тому, что прилетел. Идентичных абсолютно: по направлению, по фазе, по поляризации, и, конечно по энергии, т.е. длине волны. Это вынужденное излучение.

Если у нас много одинаковых возбужденных атомов, то велика вероятность, что «раздвоившийся» фотон ударит по такому атому, раздвоится снова и т.д., пока не кончатся возбужденные атомы в направлении распространения волны. Таким образом, всего один влетевший в пространство с нашими возбужденными атомами фотон правильной длины волны размножается многократно – усиливается, а атомы теряют энергию. Отсюда понятно, что для того, чтобы лазер работал непрерывно, излучившим атомам непрерывно же нужно сообщать энергию, переводящую их обратно на верхний энергетический уровень – «накачивать». Причем, для успешного усиления атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем, это состояние вещества называется «инверсная населенность». Одного прохода усиленного пучка квантов через рабочее тело обычно недостаточно, поэтому его помещают в резонатор – два зеркала, одно из которых отражает излучение полностью, а второе – частично выпускает наружу усиленный пучок.

Атомы, о которых пойдет речь в контексте данного лазера – это ионы неодима, которые находятся в узлах решетки кристалла ванадата иттрия. Если бы они просто болтались в вакууме и находились в форме газа, то лазер был бы газовый, а поскольку они «закреплены» в кристалле, то лазер получается твердотельный. Кристалл подбирается такой, чтобы он был прозрачным для нужных нам длин волн, крепким механически, и подходил по ряду других параметров, которые для понимания работы не критичны. Собственно, кристалл ванадата иттрия YVO 4 с примесью (иначе говоря – легированием) неодимом Nd и называется рабочим телом лазера, а полностью формула записывается как Nd:YVO 4 . Тут важно понимать, что главное у нас здесь – именно неодим, а кристаллов с подходящими параметрами для легирования существует множество: Nd:Y 3 Al 5 O 12 (или короче Nd:YAG), Nd:YAlO 3 и др. У всех есть нюансы, но суть одна.

В примере вынужденного излучения у нашего атома было всего два энергетических уровня – верхний и нижний, но реальность выглядит более сурово:

Здесь мы видим «интересные» с точки зрения излучения и поглощения энергетические уровни иона неодима в кристалле аллюмо-иттриевого граната. Следует понимать, что ион неодима (как и любой квантовый объект) может поглотить только кванты определенных длин волн – энергия которых соответствует разности энергий его уровней. Это синие стрелки.

Хотя энергетически гораздо более выгодно накачивать кристалл длиной волны 869nm, мощных и дешевых источников такой длины волны нет. Поэтому используются лазерные диоды, излучающие 808nm (зато интенсивно), которые загоняют ионы на уровень выше, чем нужно. Через небольшое время происходит безызлучательный переход на уровень 4 F 3/2 . Это т.н. метастабильный энергетический уровень. «Метастабильный» означает, что на этом уровне ион остается относительно долгое время, не сбрасывая энергию, но в то же время, этот уровень и не основной (не с минимальной энергией). Это важно, поскольку в этом состоянии ион неодима должен «дождаться» своего кванта, который и будет усилен с переходом на более низкий уровень.

Возбужденный ион неодима может излучить квант с одой из четырех длин волн, пригодных к дальнейшему усилению (красные стрелки). Причем, хотя наибольшая вероятность излучения – на длине волны 1064nm, остальные переходы также возможны. С ними борются, применяя дихроичные зеркала резонатора, которые отражают только волны длиной 1064nm, а остальные – выпускают наружу, не давая усилиться в резонаторе. Таким образом можно выбрать одну или несколько из возможных частот излучения лазера просто заменяя зеркала.

Итак, накачивая лазерным диодом наш кристалл, помещенный в резонатор, мы получаем лазерное излучение с длиной волны 1064nm. Стоит отметить, что накачивать неодим можно не только лазерным диодом, но и лампами-вспышками и другими источниками излучения, у которых в спектре есть нужные длины волн, т.е. именно лазер как источник накачки тут не обязателен. Просто лазерный диод очень эффективен в плане преобразования электрической энергии в излучение одной нужной нам частоты (КПД достигает более 50%), а то, что его излучение имеет поляризацию и когерентность – это положительные, но не обязательные качества.

ИК-излучение 1064nm превращается в зеленое 532nm в процессе, называемом «генерация второй гармоники» (SHG). Боюсь, у меня не получится доступно объяснить суть этого процесса не увеличивая объем статьи вдвое, поэтому примем просто, что нелинейный кристалл, в котором это происходит, является черным ящиком, который получает на вход два кванта, а на выходе выдает один, но удвоенной частоты. Причем эффективность этого процесса зависит от амплитуды соответствующей кванту волны (в этом и есть его нелинейность), поэтому смотря через кристалл на окружающий мир, мы не увидим никаких сдвигов цвета – интенсивность света слишком мала. А вот при лазерных плотностях энергии эти эффекты проявляются во всей красе.

Так же как и с рабочим телом, существует множество нелинейных кристаллов: KTP (титанил-фосфат калия, KTiOPO 4), LBO (триборат лития, LiB 3 O 5) и множество других – все со своими плюсами и минусами. В непрерывных (CW) лазерах нелинейный кристалл помещают внутрь резонатора, чтобы добиться большей поляризации диэлектрика за счет многократного прохождения ИК-пучка через кристалл и тем самым повышая эффективность генерации второй гармоники. Лазеры такой конструкции называются лазерами с внутрирезонаторным удвоением частоты (intracavity second harmonic generation). В импульсных лазерах этим не заморачиваются – плотности энергии в импульсе и так достаточно чтобы еще усложнять резонатор.

Все DPSS лазеры средней мощности строятся по приблизительно одной оптической схеме:

LD – диод накачки, F – фокусирующая линза, HR – входное зеркало (пропускает 808nm и отражает 1064nm), Nd:Cr – кристалл, легированный неодимом (на его правую по схеме поверхность напылено отражающее покрытие для 532nm), KTP – нелинейный кристалл, OC – выходное зеркало (отражает 1064nm и пропускает все остальное).

Зеркала HR и OC образуют полусферический резонатор Фабри-Перо. Зеркало HR обычно напылено на кристалл рабочего тела, его стараются сделать с максимальной отражающей способностью для длины волны, генерируемой лазером. Отражающую способность зеркала OC выбирают так, чтобы максимизировать КПД лазера: чем выше коэффициент усиления среды (т.е. чем меньше проходов по кристаллу с неодимом нужно сделать пучку чтобы достаточно усилиться), тем больше коэффициент пропускания.

Как видно из схемы, единственным элементом, который задерживает излучение 808nm от лазерного диода, является кристалл рабочего тела. Все, что он не смог поглотить, проходит через зеркала в выходную апертуру. Поэтому после зеркала OC обычно ставят дихроичный фильтр, отражающий непоглощенное излучение накачки.

Теперь, зная основные теоретические принципы работы лазера и основы его конструкции, можно переходить к следующей части.

Практика

Откручиваем нижнюю панель и получаем доступ к четырем винтам, крепящим верхнюю крышку:

Аккуратно снимаем крышку, смещая ее вперед, чтобы не задеть линзу объектива:

Сам лазер занимает относительно небольшой объем излучателя. Видно два юстируемых держателя оптики – это хороший признак: значит, во-первых есть что юстировать, и во-вторых, значит, что лазер сделан не на «склейке» рабочего тела и нелинейного кристалла. Склейка непригодна для извлечения больших мощностей и не поддается юстировке.

Все щели тщательно замазаны силиконовым гелем, который исключает доступ пыли и влаги в резонатор. По паре юстировочных винтов расположено по центру на верхней части и сбоку от каждого из держателей. Основание лазера крепится к радиатору всего двумя винтами, которые прижимают его к термоэлементу. Таким образом, передний край платформы просто висит над радиатором, что внушает сомнения в общей жесткости конструкции.

Свободного места между оптическими элементами нет: моя идея поставить в резонатор модовую диафрагму и ИК-фильтр перед объективом оказалась обречена на провал. Об эталонах частоты и других оптических элементах, конечно, и речи быть не может; конструкция лазера не подразумевает модификации.

Снимаем вентилятор, чтобы получить доступ к лазерному диоду

Снимаем объектив и оба держателя:

Открывается вид на кристалл ванадата иттрия размером 5x5x3 мм, который может выдержать до 15 Вт накачки и выдать до порядка 6 Вт излучения на длине волны 1064nm. Доля примеси неодима составляет скорее всего около 1 атомного процента. На эту сторону нанесено просветляющее покрытие для 1064nm и отражающее для 532nm.

Теперь посмотрим на элементы в юстируемых держателях

Держатели выполнены из дюраля, позволяют производить юстировку в горизонтальной плоскости боковыми винтами и в вертикальной – верхними. Юстировку предполагается выполнять так: отпустить оба винта для одной оси, потом найти нужное положение держателя одним из винтов и зафиксировать его вторым винтом. Винты – самые обычные китайские M3, не микрометрические или точные.

Кристалл KTP имеет размеры 3x3x7 мм, и теоретически может «обслужить» гораздо большую мощность – до порядка 20 Вт @ 532nm. На его торцы нанесено просветляющее покрытие для волн длиной 532 и 1064nm, коэффициент отражения которого составляет менее 0.5%. Для юстировки кристалла неплохо было бы иметь и третью степень свободы – вращение вдоль оси резонатора, но тут изготовители положились на точность огранки и вклеивания.

В выходной держатель вклеено дихроичное вогнутое зеркало (на глаз вогнутости не видно): оно пропускает свет на длине волны 532nm и отражает 1064nm. При этом значительная часть излучения 808nm тоже проходит его насквозь.

Снимаем лазерный диод

Диод в корпусе F-mount закреплен на массивном латунном основании с нанесенной на него термопастой. В этом типе корпусов предусмотрено отверстие для установки терморезистора, контролирующего температуру диода; терморезистор присутствует на штатном месте. Произведён диод компанией Focuslight; т.к. кроме серийного номера, другой маркировки на нем нет, его мощность, скорее всего, составляет 5 Вт – это самая низкая мощность для диодов в таком корпусе, и логично предположить, что ничего мощнее и дороже китайцы туда ставить не станут. Исходя из даташита на этот тип диода, максимальный ток составляет 5.5A, т.е. без превышения допустимых величин установленный на заводе ток можно увеличить на 200 мА, что должно добавить еще порядка 50 мВт выходной мощности. Диод легко можно заменить на 10-ваттный, благо остальные компоненты позволяют, и получить на выходе более 3 Вт зеленого пучка (о его качестве, стабильности и модовом составе судить не берусь).

Крепление диода позволяет вращать его вдоль оси резонатора, чтобы подобрать оптимальную поляризацию накачивающего излучения.

Вид на рабочее тело с дугой стороны

На эту сторону кристалла нанесено просветляющее покрытие для 808nm и отражающее более 99.5% для 1064nm, которое образует плоское зеркало резонатора.

Как видим, никакой фокусирующей оптики между диодом и кристаллом нет: это снижает эффективность накачки.

Откручиваем основание лазера от радиатора

Под основанием находится распространенный элемент Пельтье марки TEC1-12706. Его характеристики: питание до 15В, ток до 6А, отводимая мощность до 50Вт при температуре горячей поверхности 60°C; размеры 40x40x4 мм. Под выходным держателем оптики проделано отверстие – вероятно, для нагревающего элемента при другой компоновке: в этом держателе крепился бы нелинейный кристалл, в предыдущем – фокусирующая оптика, а выходное зеркало крепилось бы отдельно (заодно это бы частично решило бы проблему с температурным расширением основания). Но это только мое предположение.

Собираем все обратно

Стоит ли говорить, что после сборки лазер не заработал? Однако я довольно-таки быстро поймал генерацию, играя юстировками выходного зеркала. Дальнейшая настройка зеркала не составила труда. С юстировкой же кристалла KTP все оказалось гораздо сложнее: честно говоря, я не представляю, как это делали китайцы, крутя отверткой филипсовские винты. Поэтому все юстировочные винты я заменил на болты под шестигранник, что дало возможность производить более точную юстировку ключом, при этом не давя на крепления.

И даже несмотря на это, точный критический угол KTP мне зафиксировать не удалось: все равно мощность пучка заметно скачет даже при простом надавливании пальцем и даже сама по себе. Тут нужно отметить, что генерация была в очень широких пределах юстировки кристалла, но в некоторых положениях мощность скачкообразно росла и так же скачкообразно падала при малейших внешних возмущениях. В итоге, вспоминая байку про лаборанта, колотившего пассатижами по корпусу лазера, чтобы вернуть на место люфтящее зеркало, мне удалось достичь стабильной мощности порядка 1650 мВт, то есть потеря составила порядка 200 мВт.

Теперь становится понятно, почему у этих лазеров такой большой разброс по мощности: возможно, что 1.8 Вт сделались возможными только благодаря счастливому удару при транспортировке, а с завода лазер выходил совсем с другой мощностью. К сожалению, никакого бланка об испытаниях к лазеру приложено не было.

Заключение

На кристаллах в лазере не сэкономили: они допускают гораздо большие мощности накачки. Предполагаю, что это сделано для унификации, и трехваттый лазер отличается от одноваттного только мощностью лазерного диода, блоком питания и в три раза большей ценой. Жесткость и точность механики оставляют желать лучшего – видно желание сделать недорого, но хотя бы конструкция ремонтопригодна. Заявленная долговечность конструкции, похоже, определяется в основном долговечностью лазерного диода (а найти ее в документации не удалось) и чистотой сборочного помещения – при разборке лазера никаких загрязнений на оптике я не увидел.

И подводя итог, хочу ответить на основной вопрос к первой части статьи, который возник у многих – «Зачем этот лазер вообще такой нужен?» Исходя из его мощности, недостаточной для эффективной накачки титан-сапфира и красителей, модового состава и стабильности, которые тоже так себе, основная сфера его применения – OEM компонент для лазерных проекторов. Его также можно использовать в целях подсветки: для регистрации люминесценции, в конфокальной микроскопии и т.п. областях где требуется высокая мощность подсветки при относительно стабильной частоте.

Новейшие достижения квантовой электроники привнесли в ряд технологических процессов новый мощный вид излучения- лазерное излучение, вызываемое оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) -лазерами (название это составлено из начальных букв английского полного наименования: Light amplification by stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света путем стимулированного излучения»). Приборы эти трансформируют один из видов энергии - электрическую, световую, тепловую, химическую - в монохроматическое когерентное излучение электромагнитных волн (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное) высокой частоты.

Источники лазерного излучения нашли применение при обработке высокопрочных жаростойких материалов, сплавов, для сверления, резки, сварки при сверхвысоком давлении, для калибровки в радиотехнической промышленности, для изготовления матриц с микроотверстиями в текстильной промышленности, в системе связи, в приборостроении, при исследованиях в биологии, медицине и других областях науки.

Основной частью лазера, его излучателем является активная среда - твердая (кристаллы и стекла с добавками ионов хрома, неодима, эрбия и др.), жидкая, газообразная или плазменная, в которой генерируется и накапливается электромагнитная энергия. Помещается эта среда в систему из двух параллельных зеркал - резонатор.

Существуют квантовые генераторы: газовые или ионовые (для возбуждения применяется электрический заряд); лазеры с оптической накачкой на кристаллы, стекло, жидкость и пластмассы; лазеры полупроводниковые; лазеры на органических красителях.

Принцип действия ОКГ основан на использовании вынужденного (стимулированного) электромагнитного излучения некоего рабочего вещества (твердое тело, жидкость, газ), т. е. излучения, возникшего в результате действия на него внешнего источника энергии - энергии «накачки». Таким источником могут быть яркие лампы-вспышки для твердого рабочего вещества и постоянное или переменное электрическое поле для газообразного рабочего вещества.

В зависимости от длины волны излучения различают лазеры в ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом диапазоне спектра. В зависимости от энергетических параметров системы накачки действие генератора может быть импульсным или непрерывным. Важной особенностью импульсного режима излучения является большая мощность кратковременных импульсов, достигающая нескольких мегаватт при продолжительности импульса от долей секунды до нескольких миллисекунд; при непрерывном режиме мощность не превышает нескольких милливатт.

При воздействии на организм лазерного излучения большой интенсивности наиболее типичным является термический эффект. При этом в облученных тканях происходит быстрый нагрев структур, адсорбировавших энергию; жидкость, окружающая эти структуры, абсорбирует энергию и мгновенно вскипает. Вследствие этого резко повышается давление, возникает ударная волна, усиливающая термический эффект лазерного излучения, происходит механическая травма ткани (разрыв ее).

Таким образом, лазерное излучение приводит к сочетанному термическому и механическому действию. Наряду с этим специфическое влияние лазерного излучения сказывается в изменении генетических, ферментативных и других свойств ткани, некоторых составных частей крови (гамма-глобулины и др.). В основе механизма действия лежат процессы, связанные с избирательным поглощением тканями электромагнитной энергии, а также электрическим и фотометрическим эффектом. Лазерное излучение видимыми, инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами воздействует на специальные образования организма - фото- и терморецепторы.

Местный эффект лазерного излучения проявляется главным образом в повреждающем действии тканей глаза. Характер изменений зависит от величины энергии и длины волны лазерного излучения, диаметра луча, расстояния глаза от источника излучения, диаметра зрачка и др. У лиц, длительно работающих в условиях лазерного излучения, наблюдается точечное помутнение хрусталика, изменение глазного дна, снижение темновой адаптации.

Общие изменения в организме под влиянием лазерного излучения многообразны. Изменения зависят от термического (фокусированный пучок выделяет значительное количество тепла за короткий отрезок времени в малом объеме), электрического (высокий градиент электрического поля), фотохимического, механического и фотогидравлического действия (при фокусировке на поверхности или вблизи тела в жидкости - вскипание ее и взрыв).

Небольшой интенсивности излучение вызывает функциональные изменения центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, эндокринных желез и др. Как правило, эти изменения носят обратимый характер и чаще наблюдаются при облучении монохроматическими когерентными лучами видимой части спектра. После многократного лазерного облучения надолго удерживаются изменения сердечно-сосудистой системы.

Условия труда на лазерных установках . Основной неблагоприятный с гигиенической точки зрения фактор - это отраженное монохроматическое излучение лазера. Возможно как прямое зеркальное отражение (с выхода прибора), так и рассеянное излучение различными промежуточными элементами и мишенями (при пробивке отверстий и других операциях, связанных с лазерным излучением). Чрезмерным раздражителем органа зрения оказывается и свет ламп «накачки».

Серьезную опасность для органа зрения представляет инфракрасное излучение лазера при значительной плотности энергии (0,07 Дж/см 2). При этом происходит разрушение или снижение активности некоторых энзимов и вследствие этого - помутнение хрусталика.

Неблагоприятное действие может оказать шум при настройке генератора ОКГ, достигающий 95-100 дБ и имеющий частоту 1000-1250 Гц, звуковые импульсы- хлопки, число которых достигает нескольких сотен при громкости 100-120 дБ. При разрядах импульсных ламп накачки образуется озон, при обработке металла лучами лазера, когда происходит переход из твердого состояния в парообразное с выбиванием струи пара со сверхзвуковой скоростью, выделяется мелкодисперсный аэрозоль.

При выборе помещения для лазерных установок (ОКГ) обязательно участие промышленно-санитарного надзора. Для предотвращения возможного поражения прямым или отраженным потоком лазерного излучения в помещении не следует размещать какие-либо другие зеркальные поверхности. Особое внимание следует обратить на защиту глаз соответствующими очками-светофильтрами.

Лазерное излучение – это узконаправленные вынужденные потоки энергии. Оно бывает непрерывным, одной мощности или импульсным, где мощность периодически достигает определенного пика. Энергия образуется с помощью квантового генератора – лазера. Поток энергии представляет собой электромагнитные волны, которые распространяются параллельно относительно друг друга. Это создает минимальный угол рассеивания света и определенную точную направленность.

Сфера применения лазерного излучения

Свойства лазерного излучения позволяет применять его в различных сферах жизнедеятельности человека:

наука – исследования, опыты, эксперименты, открытия;
военно-оборонная промышленность и космическая навигация;
производственная и техническая сфера;
локальная термическая обработка – сварка, резка, гравировка, паяние;
бытовое применение – лазерные датчики для считывания штрихкода, устройства для считывания компактных дисков, указки;
лазерное напыление для повышения износостойкости металла;
создание голограмм;
усовершенствование оптических устройств;
химическая промышленность – запуск и анализ реакций.

Применение лазера в медицине

Лазерное излучение в медицине – это прорыв в лечении пациентов, требующих оперативного вмешательства. Лазер применяют для производства хирургического инструментария.

Неоспоримые преимущества хирургического лечения лазерным скальпелем очевидны. Он позволяет сделать бескровный разрез мягких тканей. Это обеспечивается мгновенной спайкой мелких сосудов и капилляров. Во время использования такого инструмента хирург полностью видит все операционное поле. Лазерный поток энергии рассекает на определенном расстоянии, не контактируя с внутренними органами и сосудами.

Важным приоритетом является обеспечение абсолютной стерильности. Строгая направленность лучей позволяет делать операции с минимальной травматизацией. Реабилитационный период пациентов значительно сокращается. Быстрее возвращается трудоспособность человека. Отличительной особенностью применения лазерного скальпеля является безболезненность в послеоперационный период.

Развитие лазерных технологий позволило расширить возможности его применения. Были обнаружены свойства лазерного излучения положительно влиять на состояние кожи. Поэтому его активно применяют в косметологии и дерматологии.

В зависимости от своего типа, кожа человека по-разному поглощает лучи и реагирует на них. Аппараты лазерного излучения могут создать нужную длину волны в каждом конкретном случае.

Применение:

эпиляция – разрушение волосяной луковицы и удаления волос;
лечение угревой сыпи;
удаление пигментных и родимых пятен;
шлифовка кожи;
применение при бактериальном поражении эпидермиса (обеззараживает, убивает патогенную микрофлору), излучение лазера предупреждает распространение инфекции.

Офтальмология – это первая отрасль, которая применила лазерное излучение. Направления в применении лазеров в микрохирургии глаза:

лазеркоагуляция – использование термических свойств для лечения сосудистых заболеваний глаза (поражение сосудов роговицы, сетчатки);
фотодеструкция – рассечение тканей на пике мощности лазера (вторичная катаракта и ее рассечение);
фотоиспарение – длительное воздействие тепла, применяют при воспалительных процессах глазного нерва, при конъюнктивите;
фотоабляция – постепенное удаление тканей, используют для лечения дистрофических изменений роговицы, устраняет ее помутнение, операционное лечение глаукомы;
лазерстимуляция – оказывает противовоспалительное, рассасывающее действие, улучшает трофику глаза, применяется для лечения склеритов, экссудации в камере глаза, гемофтальмов.

Лазерное облучение используется при онкологических заболеваниях кожи. Наиболее эффективен лазер для удаления меланобластомы. Иногда метод применяют для лечения рака пищевода или прямой кишки 1-2 стадии. При глубоком расположении опухоли и метастазах лазер не эффективен.

Истории наших читателей

Владимир
61 год

Какую опасность представляет лазер для человека

Влияние лазерного излучения на организм человека может быть негативным. Облучение может быть прямым, рассеянным и отраженным. Негативное воздействие обеспечивается световыми и тепловыми свойствами лучей. Степень поражения зависит от нескольких факторов – длина электромагнитной волны, место локализации воздействия, поглотительная способность тканей.

Наиболее подвержены влиянию лазерной энергии глаза. Сетчатка глаза очень чувствительна, поэтому часто случаются ее ожоги. Последствия – частичная потеря зрения, необратимая слепота. Источник лазерного излучения – инфракрасные приборы-излучатели видимого света.

Симптомы поражения радужки, сетчатки, роговицы, хрусталика лазером:

болезненные ощущения и спазмы в глазу;
отек век;
кровоизлияния;
помутнение хрусталика.

При облучении средней интенсивности возникают термические ожоги кожи. В месте контакта лазера и кожи резко повышается температура. Происходит вскипание и испарение внутриклеточной и межтканевой жидкости. Кожа становится красной. Под давлением происходит разрыв тканевых структур. На коже появляется отек, в некоторых случаях внутрикожные кровоизлияния. Впоследствии на месте ожога появляются некротические (омертвевшие) участки. В тяжелых случаях обугливание кожи происходит моментально.

Отличительный признак лазерного ожога – четкие границы поражения кожи, а пузыри образуются в эпидермисе, а не под ним.

При рассеянном поражении кожи в месте поражения она становится нечувствительной, а эритема появляется через несколько дней.

Лазерное излучение инфракрасного спектра может проникать глубоко через ткани и поражать внутренние органы. Характерность глубокого ожога – чередование здоровой и поврежденной ткани. Первоначально при воздействии лучей человек не испытывает боли. Наиболее уязвимый орган – печень.

Воздействие излучения на организм в целом вызывает функциональные расстройства центральной нервной системы, сердечно-сосудистой деятельности.

Признаки:

перепады артериального давления;
повышенная потливость;
необъяснимая общая утомляемость;
раздражительность.

Меры предосторожности и защиты от лазерного излучения

Наиболее риску облучения подвержены люди, деятельность которых связана с применением квантовых генераторов.

В соответствии с санитарными нормами лазерное излучение разделяется на четыре класса опасности. Для организма человека опасность представляет второй, третий, четвертый классы.

Технические методы защиты от лазерного излучения:

Правильная планировка промышленных помещений, внутренняя отделка должна соответствовать правилам техники безопасности (лазерные лучи не должны зеркально отражаться).
Соответствующее размещение излучающих установок.
Ограждение зоны возможного облучения.
Порядок и соблюдение правил обслуживания и эксплуатации оборудования.

Еще одна защита от лазера – индивидуальная. Она включает такие средства: очки от лазерного излучения, защитные кожухи и экраны, комплект спецодежды (технологические халаты и перчатки), линзы и призмы, отражающие лучи. Все сотрудники регулярно должны проходить профилактические медицинские осмотры.

Использование лазера в быту тоже бывает опасным для здоровья. Неправильная эксплуатация световых указок, лазерных фонариков может нанести непоправимый вред человеку. Защита от лазерного излучения предусматривает простые правила:

Нельзя направлять источник излучения на стекла и зеркала.
Категорически запрещено направлять лазер в глаза себе или другому человеку.
Хранить гаджеты с лазерным излучением необходимо в недоступном для детей месте.

Действие лазера, в зависимости от модификации излучателя, бывает тепловым, энергетическим, фотохимическим и механическим. Наибольшую опасность представляет лазер с прямым излучением, с большой интенсивностью, узкой и ограниченной направленностью луча, высокой плотностью излучения. К опасным факторам, которые способствуют получению облучения, относится высокое производственное напряжение в сети, загрязнение воздуха химическими веществами, интенсивный шум, рентгеновское излучение. Биологические эффекты от лазерного излучения делятся на первичные (местный ожог), и вторичные (неспецифические изменения как ответная реакция всего организма). Следует помнить, что бездумное применение самодельных лазеров, световых указок, светильников, лазерных фонариков может нанести окружающим непоправимый вред.

Лазерное излучение и защита от него на производстве

Лазерное излучение — это электромагнитные излучения с длиной волны 0,2...1000 мкм: от 0,2 до 0,4 мкм — ультрафиолетовая область; свыше 0,4 до 0,75 мкм — видимая область; свыше 0,75 до 1 мкм — ближняя инфракрасная область; свыше 1,4 мкм — дальняя инфракрасная область.

Источниками лазерного излучения являются оптические квантовые генераторы — лазеры, которые нашли широкое применение в науке, технике, технологии (связи, локации, измерительной технике, голографии, разделении изотопов, термоядерном синтезе, сварке, резке металлов и т.п.).

Лазерное излучение характеризуется исключительно высоким уровнем концентрации энергии: плотность энергии — 1010...1012 Дж/см3; плотность мощности — 1020..1022 Вт/см3. По виду излучения оно разделяется на прямое (заключенное в ограниченном телесном угле); рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч); зеркально отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения луча); на диффузно отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям).

В процессе эксплуатации лазерных установок обслуживающий персонал может подвергнуться воздействию большой группы физических и химических факторов опасного и вредного воздействия. Наиболее характерными при обслуживании лазерной установки являются следующие факторы: а) лазерное излучение (прямое, рассеянное или отраженное); б) ультрафиолетовое излучение, источником которого являются импульсивные лампы накачки или кварцевые газоразрядные трубки; в) яркость света, излучаемого импульсивными лампами или материалом мишени под воздействием лазерного излучения; г) электромагнитные излучения диапазона ВЧ и СВЧ; д) инфракрасное излучение; ж) температура поверхностей оборудования; з) электрический ток цепей управления и источника питания; и) шум и вибрации; к) разрушение систем накачки лазера в результате взрыва; л) запыленность и загазованность воздуха, происходящие в результате воздействия лазерного излучения на мишень и радиолиза воздуха (выделяются озон, окислы азота и другие газы).

Одновременность воздействия этих факторов и степень их проявления зависят от конструкции, характеристики установки и особенностей выполняемых с ее помощью технологических операций. В зависимости от потенциальной опасности обслуживания лазерных установок они подразделены на четыре класса. Чем выше класс установки, тем выше опасность воздействия излучения на персонал и тем большее число факторов опасного и вредного воздействия проявляется одновременно.

Если для 1-го класса опасности лазерной установки обычно характерна лишь опасность воздействия электрического поля, то для 2-го класса характерна еще и опасность прямого и зеркального отраженного излучения; для 3-го класса — еще и опасность диффузного отражения, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, яркости света, высокой температуры, шума, вибраций, запыленности и загазованности воздуха рабочей зоны.

Лазерная установка 4-го класса опасности характеризуется полным наличием потенциальных опасностей, перечисленных выше.

В качестве основных критериев для нормирования лазерных излучений избрана степень изменения, происходящего под их влиянием в органах зрения и кожи человека. Безопасность при работе с лазерами оценивается вероятностью достижения того или иного патологического эффекта, определяемой:

Рбез = 1 - Рпат (3.47)

где Рбез — вероятность безопасности работы с лазером в конкретных условиях; РПат — фактический патологический эффект, измеренный при воздействии лазерного излучения.

В настоящее время доказано, что при воздействии лазерного излучения (особенно при разовом) существует однозначная связь между количественным показателем интенсивности воздействия поля и производимым им эффектом.

В целях обеспечения безопасных условий труда персонала установлены предельно допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения, которые при ежедневном воздействии на человека не вызывают в процессе работы или в отдаленные сроки отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами медицинских исследований.

1 — лазер, 2 — бленда, 3 — линза, 4 — диафрагма, 5 — мишень

Биологические эффекты воздействия лазерного излучения зависят не только от энергетической экспозиции, поэтому ПДУ лазерного излучения установлены с учетом длины волны излучения, длительности импульсов, частоты их повторения, времени воздействия и площади облучаемых участков, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Контроль уровней опасных и вредных факторов при эксплуатации лазеров проводится периодически (не реже одного раза в год), при приеме новых установок, при изменении конструкции лазерной установки или средств защиты, при организации новых рабочих мест.

В зависимости от класса лазерной установки используются различные защитные средства, включающие порядок эксплуатации установки, определенные «Санитарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров».

Комплекс мер, обеспечивающих безопасность работы с лазером, включает технические, санитарно-гигиенические и организационные мероприятия и направлен на предотвращение облучения персонала уровнями, превышающими ПДУ.

Достигается это обеспечением лазеров приспособлениями, исключающими воздействие прямого и отраженного излучения (экраны); использованием средств дистанционного управления, сигнализации и автоматического отключения; созданием специальных помещений для работ с лазером, их правильной компоновкой с обеспечением необходимого свободного пространства, систем контроля уровней облучения; оборудованием рабочих мест местной вытяжной вентиляцией.

В качестве экранирующих устройств от прямого и отраженного излучения на пути луча устанавливают бленды, а возле облучаемого объекта — диафрагмы.

К обслуживанию лазеров допускаются лица не моложе 18 лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие инструктаж и обученные безопасным методам работы (имеют соответствующую квалификационную группу по технике безопасности).

В процессе эксплуатации установок на администрацию возложены обязанности контроля за безопасным ведением работ, а также предотвращение использования запрещенных приемов работ.

К средствам индивидуальной защиты от лазерного излучения, используемым только в комплексе со средствами коллективной защиты, относятся защитные очки и маски со светофильтрами.

Их выбор в каждом конкретном случае осуществляется с учетом длины волны генерируемого излучения.