Экологическая часть. 
Изготовление прецизионных элементов лазеров

Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека

Непосредственное воздействие на человека оказывает лазерное излучение любой длины волны, однако в связи со спектральными особенностями поражаемых органов и различными предельно допустимыми дозами облучения обычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека.

Согласно ГОСТ 12.1.040−83 (96) выработана классификация опасных и вредных производственных факторов по степени опасности генерируемого излучения при эксплуатации лазеров (лазерных установок).

По причине таких свойств как возможность формирования узких пучков излучения, высокая плотность излучаемых колебаний и монохроматичность лазеры имеют широкое применение в промышленности. Диапазон длин волн, излучаемых лазерами, охватывает видимый спектр и распространяется в инфракрасную и ультрафиолетовую области. Чаще всего используются лазеры с длинами волн 0,49 — 0,51; 0,53 — 0,63; 0,694; 1,06; 10,6 мкм.

Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм человека, делятся на две группы:

• 1) Первичные эффекты — органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых тканях;
• 2) Вторичные эффекты — неспецифические изменения, появляющиеся в организме в ответ на облучение.

Зеркально отраженное излучение опасно в той же мере, что и прямое. Излучение лазера, выходящее из резонатора, направляется через различные оптические элементы (фильтры, линзы, призмы, светоотделительные пластинки и т. д.) на какую-либо мишень. Все эти элементы в некоторой степени отражают или рассеивают излучение лазеров. Кроме того, зеркально-отраженный луч лазера может многократно зеркально или диффузно отражаться от различных поверхностей.

Степень потенциальной опасности лазерного излучения зависит от мощности источника, длины волны, длительности импульса и чистоты его следования, отражения и рассеяния излучения, окружающих условий.

Воздействие лазерного излучения на глаза.

Глаза являются наиболее уязвимым органом человека, так как обладают способностью фокусировать лазерное излучение. Рассмотрим более подробно, как работает человеческий глаз.

Строение глаза показано на рис. 7.1.

Наружная оболочка глаза определяется склерой. Поверхность ее покрыта очень тонкой прозрачной пленкой — конъюнктивной. В передней части глаза склера переходит в прозрачную для световых лучей роговицу. Позади роговицы находится радужная оболочка. В центре радужной оболочки находится отверстие — зрачок.

Оптическая система глаза состоит из хрусталика, роговицы и стекловидного тела. Хрусталик представляет собой двояковыпуклую линзу, кривизна которой может изменяться в зависимости от удаленности рассматриваемого объекта. Хрусталик и стекловидное тело фокусируют изображение рассматриваемого объекта на светочувствительную оболочку глаза — сетчатку.

Глаз человека воспринимает электромагнитное излучение (видимый свет) в диапазоне от 0,4 до 0,78 мкм. Оптическая система глаза способна пропустить свет в более широком диапазоне: от 0,4 до 1,4 мкм. Наибольшая прозрачность глаза, доходящая почти до 100%, лежит в области длин волн от 0,5 до 0,9 мкм (рис. 7.2). Спектральные характеристики глаза определяют способность воздействия на него электромагнитного излучения различных диапазонов.

Излучение ультрафиолетового диапазона (6−380 нм) интенсивно поглощается роговицей и хрусталиком глаза и до сетчатки не доходит. Поэтому поражение глаз мощным ультрафиолетовым излечением носит характер поверхностного ожога.

При длине волны 320−400 нм часть энергии проникает в хрусталик и может вызывать в нем нежелательные изменения.

Наибольшее поражение роговицы происходит при длине волны излучения 288 нм, когда происходит резонансное поглощение ультрафиолетового излучения. Пороговая энергия, вызывающая при этом поражение роговицы, составляет около 10−6 Дж/см2.

Излучение видимого диапазона (380−740 нм) свободно проходит через оптическую систему глаза и фокусируется на поверхности сетчатки. При этом за счет фокусировки плотность потока мощности излучения на сетчатке может быть на 4−5 порядков выше, чем на роговице глаза. Поэтому диапазон видимого света является наиболее опасным для глаза с точки зрения лазерного поражения.

Характер поражения сетчатки глаза сфокусированным лазерным излучением определяется плотностью энергии на поверхности сетчатки. При относительно небольших энергиях лазера наблюдается явление «вспышечной слепоты», когда под действием излучения обесцвечиваются (отбеливаются) зрительные пигменты. При этом глаз на некоторое время теряет способность различать предметы.

При плотности энергии 2 Дж/см происходит ожог сетчатки, чувствительность пораженного места к свету полностью утрачивается. Степень потери зрения глазом зависит от места расположения ожога. Если ожог произошел в периферической части сетчатки, степень потери зрения невелика; при ожоге центральной ямки потеря зрения 70−90%.

Лазерное излучение ближней части инфракрасного диапазона с длинной волны от 0,8 до 1,4 мкм довольно хорошо проходит через оптическую систему глаза, при этом возможен ожог сетчатки. Поражение глаза излучением этого диапазона имеет такой же характер, как поражение видимым светом, только при несколько больших уровнях мощности, так как коэффициент поглощения излучения сетчатки глаза уменьшается с ростом длины волны. В диапазоне длин волн 1,3−1,7 мкм начинается интенсивное поглощение излучения тканями, содержащими воду, в том числе роговицей, хрусталиком и жидкостью в передней камере глаза, расположенной между роговицей и хрусталиком. Излучение не доходит до сетчатой оболочки, а поглощается роговицей, хрусталиком и радужной оболочкой. Вследствие наличия пигмента радужная оболочка глаза интенсивно поглощает инфракрасное излучение в диапазоне от 0,8 до 1,7 мкм, особенно в интервале длин волн 0,8−1,3 мкм, где роговица практически прозрачна. Поглощение излучения радужной оболочкой приводит к ее термическому ожогу, который происходит при плотности энергии излучения, превышающей 4 Дж/см2. Тепло, выделяющееся при нагревании радужной оболочки, передается соседним тканям, в том числе хрусталику, что приводит к его помутнению. Кроме того, к помутнению хрусталика может привести его нагревание мощным лазерным излучением в диапазоне длин волн 1,2−1,7 мкм.

Инфракрасное излучение с длиной волны более 1,7 мкм полностью поглощается роговицей и в ткани, расположенные глубже, не проникает. Лазерное излучение этого диапазона менее опасно для глаз; возникающее под действием такого излучения поражение глаз носит исключительно поверхностный характер.

Энергия лазерного луча, падающего на глаз, зависит от мощности лазера, размеров лазерного пучка и от диаметра входного окна глаза. В зависимости от освещенности диаметр зрачка изменяется в пределах от 1,6−2 до 7−8 мм. При этом энергия лазерного луча, попадающая в глаз, изменяется в 15−20 раз. Поэтому лазерное излучение представляет большую опасность в затемненных помещениях.

Воздействие лазерного излучения на кожу Кожа человека поражается лазерным излучением в значительно меньшей степени, чем глаза, тем не менее ее поражения встречаются довольно часто, так как кожа является практически не защищенным органом человека.

Наиболее сильно действует на кожу излучение ультрафиолетового диапазона. Под действием ультрафиолетового излучения происходит не только нагревание ткани, но так же фотохимические процессы, в частности распад связей, которые типичны для соединений, входящих в состав внутриклеточной структуры.

Относительно небольшие дозы ультрафиолетового облучения вызывают покраснение кожи (эритемный эффект), исчезающее на следующий день. Минимальная эритемная доза составляет для разных людей от 8 до 30 Дж/см2. Максимальный эритемный эффект наблюдается при длине волны излучения 260 нм. Несколько меньшее воздействие оказывают излучения с длинной волны от 270 до 290 нм. Эритемная реакция на излучение с длинной волны более 320 нм невелика, что связано с неспособностью фотонов низкой энергии вызывать фотохимические реакции.

Излучение видимого и инфракрасного диапазона приводит в основном к нагреванию кожи и может привести к ожогам.

Кожа человека достаточно хорошо противостоит непрерывному инфракрасному облучению, так как она способна рассеивать тепло благодаря кровообращению и понижать температуру вследствие испарения влаги с поверхности.

Импульсное излучение и особенно излучение лазеров в режиме модуляции добротности более опасно для кожи, так как тепло не успевает распространиться на соседние ткани.

При воздействии излучения импульсных лазеров с энергией от 3 до 100 Дж на коже возникают кровоизлияния с различной степенью тяжести. Если энергия лазера менее 3 Дж, то структурные изменения в коже не наблюдаются, а происходит нарушение деятельности ферментов, входящих в состав стенок капилляров. Это понижает антимикробную сопротивляемость кожи и повышает ее чувствительность к внешним воздействиям.

Нарушение деятельности ферментов может привести к образованию токсичных веществ, которые, распространяясь по всему организму, ухудшают общее состояние человека.