Реферат: Лазерная безопасность

1. Физиологическиеэффекты при воздействии лазерного излучения на человека.

Непосредственное воздействие начеловека оказывает лазерное излучение любой длины волны, однако в связи соспектральными особенностями поражаемых органов и существенно различными предельнодопустимыми дозами облучения обычно различают воздействие на глаза и кожныепокровы человека.

1.1.Воздействие лазерного излучения наорганы зрения

Рисунок 1. Спектральные характеристики глаза:
t

1 — относительное пропускание глазной среды;
t2 — произведение пропускания глазной среды на поглощение всеми слоями сетчатки

Основной элемент зрительногоаппарата человека — сетчатка глаза — может быть поражена лишь излучением видимого( от 0.4 мкм ) и ближнего ИК-диапазонов ( до 1.4 мкм ), что объясняетсяспектральными характеристиками человеческого глаза ( рис. 1 ). При этомхрусталик и глазное яблоко, действуя как дополнительная фокусирующая оптика,существенно повышают концентрацию энергии на сетчатке, что, в свою очередь, нанесколько порядков понижает максимально допустимый уровень ( МДУ ) облученностизрачка. Световой диаметр зрачка при расчете МДУ облучения принимают обычноравным 7 мм. Это не всегда соответствует действительности. Например, прибольшой светлоте ( физиологическая оценка яркости ) фона — из-за световойадаптации, в пожилом возрасте — из-за уменьшения чувствительности световыхрецепторов.

1.1.1. МДУпрямого облучения сетчатки

Кроме длины волны

l, необходимоучитывать также длительность воздействия светового излучения. При очень короткихимпульсах ( когда не успевают сработать механизмы теплопроводности в областисетчатки ) нормируют плотность энергии для видимого излучения ( 0.4<l<0.7 мкм )при Dt<2×10-5c МДУ облучения роговицы глаза составляет 5×10-3Дж/м2; для ИК-излучения ( 1.05<l<1.4 мкм )при 2×10-5<Dt<5×10-5с — на порядок больше, то есть 5×10-2Дж/м2. Если длительность импульса превышает 20 мкс для видимого и 20¸50 мкс дляближнего ( до 1.4 мкм ) излучения, то нормируют в первом приближении плотностьмощности: для видимого излучения МДУ составляет 18Dt0.75Вт/м2; для ИК-излучения — почти порядок больше, то есть 90Dt0.75Вт/м2.

Во всех рассматриваемых далееслучаях переходная область спектра — от темно-красного (

l>700 нм ) дополностью невидимого ближнего ИК-излучения ( l<1050 нм ) —характеризуется монотонным повышением МДУ от минимального значения ( длятемно-красного излучения ) до максимального ( для полностью невидимогоИК-излучения ) по закону С4=10(l-700)/500.

Приведенные данные по МДУохватывают область наиболее критических значений параметров облучения зрачка глаза,когда в интервале от 10-9 до 10 с причиной повреждения сетчаткиявляется тепловое действие сфокусированного света при прямом наблюдениилазерного пучка, тогда как сверхкороткие лазерные импульсы вызывают в основномтермоакустическое воздействие — протоплазма клеток из-за быстрого разогревазакипает и разрывает оболочку. В этом случае нормируют плотность мощности: длявидимого излучения МДУ составляет 5

×106Вт/м2, для ИК-излучения — 5×107Вт/м2.

Длительное (

Dt>10 с )прямое воздействие лазерного излучения на сетчатку приводит в основном кфотохимическим процессам ее разрушения. Чтобы избежать этого (как и в случаесверхкоротких импульсов), нормируют энергетическую освещенность (экспозицию).Для зеленого (l=550 нм) и более коротковолнового(l>400нм) видимого света МДУ составляет 100 Дж/м2. Что касается «теплых»цветов (550<l<700 нм), то фотохимическиепроцессы начинают играть заметную роль только при больших временных воздействияхлазерного излучения (T2=100.02(l-500)+1 c), и в этомслучае МДУ нужно уменьшить в С3 раз (C3=100.015(l-550)).

Сверхдлительное (

Dt>103¸104c) прямое воздействие лазерного излучения характеризуется малым значением МДУ,а именно 0.01 Вт/м2 для сине-зеленого (0.4<l<0.55 мкм)излучения. Более длинноволновое видимое излучение (550<l<700 нм)допускает МДУ=100.015(l-500)+2 Вт/м2.В случае ИК излучения переход от экспозиционного к мощностному ограничению(когда существенную роль играют регенерационные процессы, компенсирующиефотохимическое разрушение) осуществляется при Dt>10 c: для1.05<l<1.4мкм МДУ составляет 16 Вт/м2; для l>700 нм(темно-красное излучение) и l<1050 нм (ближнее ИКизлучение) монотонно возрастающий МДУ составляет 3.2×10(l-700)/500 Вт/м2.

На перечисленные МДУ облученияориентируются при однократном воздействии на глаз прямого лазерного излучения,фокусируемого хрусталиком в очень незначительное пятно на сетчатке.

При наличии последовательностиимпульсов не только ни один из них, но и усредненная облученность не должныпревышать МДУ. При усреднении воздействия последовательности импульсов сдлительностью

Dt<10 мкс и частотой повторенияf>1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в С5 раз:

<img src="/cache/referats/4268/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (1.1)

Если длительность отдельныхимпульсов

Dtв последовательности превышает 10 мкс ( а частота следования f>1 Гц), то дляимпульса длительностью NDt за ограничение облученностипринимают (1/N)-ю часть МДУ.

Наиболее сложно определить МДУдля повторяющихся серий, состоящих из определенного числа импульсов. Когда всерии не более 10 импульсов, ее приравнивают к одному эквивалентному импульсу.При этом:

1)

еслиDtсерии меньше 10 мкс, то за длительность эквивалентного импульса принимаютдлительность самого короткого импульса в серии, а за энергетическое воздействие— суммарное (полное) энергетическое воздействие всей серии;

2)

еслиDtсерии больше 10 мкс, то за длительность эквивалентного импульса принимаютсуммарную длительность парциальных импульсов, а за энергетическое воздействие —суммарное энергетическое воздействие всей серии.

Если в серии более 10 импульсов,то МДУ рассчитывают как для одного, якобы непрерывного импульса, охватывающеговсю последовательность.

1.1.2. МДУ длянаружных покровов глаз человека

Невидимое УФ (0.2<

l<0.4 мкм) илиИК излучение (1.4<l<1000 мкм) практически недоходит до сетчатки и потому может повреждать лишь наружные части глазчеловека: УФ излучение вызывает фотокератит, средневолновое ИК излучение(1.4<l<3мкм) — отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК излучение (3мкм<l<1мм) — ожог роговицы. Поэтому МДУ облучения глаз при УФ и ИК излучениирассматривают здесь, хотя (из-за отсутствия фокусирующего действия хрусталика)численные значения данного МДУ на несколько порядков больше значений,приведенных в подразделе «МДУ прямого облучения сетчатки», исоответствуют МДУ для кожных покровов. К тому же для наружных покровов глаза икожных покровов МДУ нормируются относительно апертуры диаметром 1 мм (длясетчатки — 7 мм), что еще более снижает требования лучевой безопасности врассматриваемом случае. Тем не менее эти данные могут оказаться полезными, таккак в настоящее время возрастает число коммерческих лазеров, работающих в УФ иИК диапазонах.

Плотность мощности длясверхкоротких (менее 1 нс) импульсов почти одинакова в обоих диапазонах: 30ГВт/м2 в УФ области и 100 ГВт/м2 в ИК области (1.4мкм<

l<1мм).

При больших временах воздействияситуация наиболее проста для жесткого (200<

l<320.5 нм) УФизлучения, где МДУ=30 Дж/м2, вплоть до длительностей облучения 30000с, то есть свыше 8 часов.

Более сложна система задания МДУдля узкого участка УФ излучения с 302.5<

l<315 нм. Длясколько-нибудь длительного воздействия (10<Dt<30000 c)МДУ возрастает на 2.5 порядка по закону С2=10(l-295)/5 Дж/м2.В области импульсных воздействий (1 нс<Dt<10 c) такоебыстрое нарастание МДУ имеет место лишь при Dt>T1=10(l-295)/5 c; если Dt<T1,то МДУ не зависит от длины волны и составляет С1=5600(Dt)0.75Дж/м2.

МДУ для ближней УФ области(315<

l<400нм) в случае импульсного (1 нс<Dt<10 c)облучения почти не меняется, составляя С1=5600(Dt)0.25Дж/м2, плавно переходящее в 10 КДж/м2 для времениоблучения от 10 до 1000 с; если длительность облучения превышает 1000 с, тонормируют плотность мощности, и МДУ равно 10 Вт/м2.

В ИК области МДУ облучениянаружных покровов почти не зависит от длины волны и составляет: длясверхкоротких (

Dt<1 нс) импульсов 100 ГВт/м2;для гигантских ( 1 нс<Dt<100 нс) импульсов 100 Дж/м2;для остальных (100 нс<Dt<10 с) импульсов 5600(Dt)0.25Дж/м2. Плотность мощности при непрерывном облучении (10 с<Dt<30000 c) недолжна превышать 1 кВт/м2.

Надо отметить, что такие значениясправедливы и для дальней ИК области (0.1<

l<1 мм) с тойлишь разницей, что МДУ задают здесь в апертуре диаметром 11 мм (а не 1 мм, какдля УФ и основного ИК диапазонов).

1.1.3.Представление МДУ облучения как поверхности в координатах

l — Dt

В 825-й публикации МЭК полностью,хотя и не всегда с достаточно высокой точностью, определены МДУ облученияроговой оболочки глаза человека прямым (то есть направленным непосредственно изоптической системы, а не рассеянным на каких-либо шероховатых поверхностях)лазерным излучением. Для удобства практического применения эти рекомендации МЭКпредставлены в виде таблицы 1.1.

В результате, во первых,появляется возможность достаточно просто (хотя и приближенно) определитьчисленные значения МДУ при прямом облучении глаза человека лазерным излучением.При измерении следует лишь помнить следующие рекомендации МЭК попространственному усреднению облученности: для 0.2<

l<0.4 мкм —внутри круга Æ 1 мм; для0.4<l<1.4мкм — внутри круга Æ 7 мм (чтосоответствует зрачку глаза при темновой адаптации); для 1.4<l<100 мкм —внутри круга Æ 1 мм; для 100мкм<l<1мм — внутри круга Æ 11 мм.

Во вторых, таблица 1.1свидетельствует о том, что в разных спектральных поддиапазонах лазерноевоздействие частично аддитивно. Эта ситуация относится к двух- и более волновымлазерам, в основном, к лазерным приборам и установкам, в которых используетсялазерное излучение разных длин волн. В соответствии с рекомендацией МЭК весьдиапазон длин волн лазерного излучения делят на четыре поддиапазона, внутрикоторых лазерное излучение полностью аддитивно (как для глаз: так и для кожныхпокровов):

1.

поддиапазон— УФ-С и УФ-В, 200<l<315 нм;

2.

поддиапазон— УФ-А, 315<l<400 нм;

3.

поддиапазон— весь видимый и ИК-А, 0.4<l<1.4 мкм;

4.

поддиапазон— ИК-В и ИК-С, 1.4<l<1000 мкм.

Кроме того, всегда суммируютвоздействия облучений 2-го и 4-го поддиапазонов. Аналогичное суммированиепроводят и при совместном воздействии на кожные покровы лазерных излучений 2-гои 3-го поддиапазонов.

Естественно, что принимать вовнимание эффект аддитивного воздействия имеет смысл лишь при близких к МДУзначениях облучения для каждой из генерируемых длин волн. К сожалению, 825-япубликация МЭК не дает аналитического выражения для определения МДУ аддитивногооблучения, а лишь указывает на необходимость особой осторожности, еслидлительности воздействия существенно различаются (например, совместное действиеимпульсного и непрерывного излучений). В случае, если длительности импульсов иливремя экспозиции соизмеримы (имеют один порядок), то полагают, что парциальное(на одной длине волны) облучение пропорционально МДУ для данного излучения, тоесть суммарное относительное облучение не должно превышать единицы:

И, наконец, МЭК настоятельнонапоминает об опасности любого облучения, в том числе лазерного, подчеркивая,что МДУ является не порогом безопасности, а лишь усредненным значением(определенным на основе многочисленных экспериментов) уровня опасностиповреждения органов зрения (и кожного покрова) человека.

Таблица 1.1

МДУ прямого облучения глазчеловека

Длина

МДУ

волны

Еди-

Усло-

При длительности излучения D

t, с

l

, нм

ница изме-рения

вие

<

10-9

От 10-9 до 10-7

От 10-7 до 1.8×

10-5

От 1.8×

10-5 до 5×10-5

От 5×

10-5 до 10

От 10 до 103

От 103 до 104

От 104 до 3×

104

От 200 до

ГВт/м2

—

302.5 (УФ-С)

Дж/м2

—

От 302.5

Дж/м2

При D

t£T1

—

до 315 (УФ-В)

Дж/м2

При D

t>T1

—

Дж/м2

—

ГВт/м2

—

От 315 до 400

Вт/м2

—

3×

1010

—

(УФ-А)

Дж/м2

—

104

—

От 400

Вт/м2

—

5×

106

—

10-2

до 550

Дж/м2

—

5×

10-3

5×

10-3

100

—

От 550 до 700

Дж/м2

При D

t£T2

—

С6

—

Дж/м2

При D

t>T2

—

С3×

102

С3×

102

—

Дж/м2

—

5×

10-3

5×

10-3

С6

—

Вт/м2

—

5×

106

—

С3×

10-2

От 700 до

Дж/м2

—

5С4×

10-3

5С4×

10-3

С4С6

—

1050 (ИК-А)

Вт/м2

—

5С4×

106

—

3.2С4

От 1050 до

Дж/м2

—

5×

10-2

5×

10-2

5×

10-2

5С6

—

1400 (ИК-В)

Вт/м2

—

5×

107

—

От 1400

Дж/м2

—

100

С1

—

до 106 (ИК-С)

Вт/м2

—

1011

—

103

С1=5.6×

103(Dt)0.25; T1=100.8(l-295)-15;

C2=100.2(l

-295); T2=101+0.02(l-550);

C3=100.015(l

-550);

C4=10(l-700)/500

;

С6=18(D

t)0.75;

1.1.4. МДУоблучения глаз рассеянным лазерным излучением

На практике наиболее вероятноименно рассеянное лазерное облучение. В этом случае важно при определении МДУоблучения перенормировать плотность излучения в диапазоне 0.4<

l<1.4 мкм,достигающего сетчатки и поражающего ее. Эта перенормировка связана с тем, чтохарактер и размер поражения сетчатки изменяются в связи с резким увеличениемзоны облучения — от 0.01 мм (определяется аберрацией глаза и дифракцией светана его зрачке), то есть угловой размер составляет примерно 1', или 0.0003 рад,до a=0.015¸0.24 рад.Последняя величина (эффективный угол зрения) во многом зависит от длительностиоблучения и (для коротких импульсов) от длины волны. Все это видно из рисунка2, где представлена кусочно-линейная аппроксимация a=a(Dt) в двойном логарифмическоммасштабе.

Рисунок 2. Предельный угол видения (предполагаемый угол поля зрения):
1 — 0.012 рад;
2 — 0.00885 рад;
3 — 0.00025(

Dt)-0.17 (при 1050£l<1400 нм);
5 — 0.015× (Dt)0.21 (при 400£l<1400 нм);
6 — 0.24 рад.

МДУ облучения глаза протяженнымисточником с угловым размером

aизл>a приведены втаблице 1.2. Напомним, что при измерении энергетической яркости рассеянного(точнее: со значительным углом расходимости) излучения ее усреднение приизмерении МДУ следует выполнять по углу a (см. рисунок2). Кроме того, поскольку глаза устроены так, что не пропускают к сетчатке УФ иИК излучение с l>1.4 мкм, то в этих диапазонахразница между МДУ, указанным в таблице 1.1, и МДУ, указанным в таблице 1.2,отсутствует.

Таблица 1.2 МДУ облучения глазчеловека рассеянным лазерным излучением

Длина волны l

, нм

МДУ

Единица изм

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

История развития сотовой связи

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Фоторезисторы