Сущность лазерного излучения. Классификация лазеров по физико-техническим параметрам

Это излучение формируется в оптических квантовых генераторах (лазерах) и представляет собой оптическое когерентное излучение, характеризующееся высокой направленностью и большой плотностью энергии. Главный элемент лазера, где формируется излучение, - активная среда, для образования которой используют: воздействие света нелазерных источников, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электрическим пучком и другие методы “накачки”. Активная среда (элемент), расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор. Активной средой лазера может быть твердый материал (рубины, стекло, активированное неодимом, алюмоиттриевый гранат, пластмассы), полупроводники (Zn, S, ZnO, CaSe, Te, PbS, GaAs, и др.), жидкость (с редкоземельными активаторами или органическими красителями), газ (Hе-Nе, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CО₂ и др.) и др. Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия.

Лазеры получили широкое применение при проведении научных исследований (физика, химия, биология и др.), в практической медицине (хирургия, офтальмология и др.), а также в технике (связи, локации, измерительной), при исследовании внутренней структуры вещества, разделении протонов, термоядерном синтезе, термообработке, сварке, резке, при изготовлении отверстий малого диаметра – микроотверстий и др. Области применения лазера определяются энергией используемого лазерного излучения.

Величина генерируемого лазером электромагнитного излучения составляет: в области рентгеновского диапазона 3 ∙ 10^-3…3 ∙ 10^-7 мкм, ультрафиолетового 0,2…0,4 мкм, видимого света 0,4…0,75 мкм, ближнего инфракрасного 0,75…1,4 мкм, инфракрасного 1,4…10² мкм, субмиллиметрового 10²…10³ мкм.

Классификация лазеров по физико-техническим параметрам:

1.По конструктивному исполнению:

· стационарные;

· передвижные;

· открытые;

· закрытые.

2.По мощности излучения:

· сверхмощные;

· мощные;

· средней мощности;

· маломощные.

3.По режиму работы:

· непрерывные;

· импульсные;

· импульсные с модулированной добротностью.

4.По способу отводу тепла:

· естественное охлаждение;

· принудительное охлаждение водой;

· принудительное охлаждение воздухом;

· принудительное охлаждение специальной жидкостью.

5.По назначению:

· технологические;

· специальные;

· исследовательские;

· уникальные.

6.По методу накачки:

· химическим возбуждением;

· пропусканием высокочастотного тока;

· пропусканием импульсного тока;

· пропусканием постоянного тока;

· импульсным светом;

· постоянным светом.

7.По длине генерируемой световой волны:

· инфракрасные;

· видимый свет;

· ультрафиолетовые;

· рентгеновские.

· субмиллиметровые

8.По активному элементу:

· газодинамические;

· твердотельные;

· полупроводниковые;

· жидкостные;

· газовые.

Биологическое действие лазерного излучения

Биологическое действие лазерного излучения зависит от энергии излучения Е, энергии Е_н, плотности мощности (энергии) W_p (W_e), времени облучения t, длины волны λ, длительности импульса τ, частоты повторения импульсов f, потока излучения Ф, поверхностной плотности излучения Е_э, интенсивности излучения I.

На первой стадии (физической) происходят элементарные взаимодействия излучения с веществом, характер которых зависит от анатомических, оптико-физических и функциональных особенностей ткани, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения и, прежде всего, от длины волны и интенсивности излучения. На этой стадии происходит нагревание вещества, преобразование энергии электромагнитного излучения в механические колебания, ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др.

На второй стадии (физико-химической) из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии (химической) свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, и при этом возникают те молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом.

Нормирование лазерного излучения

При нормировании ЛИ устанавливают допустимые уровни ЛИ для двух условий облучения – однократного и хронического, для трех диапазонов длин волн: 180…300 нм, 380-1400 нм, 1400-100000 нм.

Нормируемыми параметрами являются энергетическая экспозиция Н и облученность Е.

Гигиеническая регламентация ЛИ производится по Санитарным нормам и правилам устройства и эксплуатации лазеров – СН 5804-91.

Для определения ПДУ (Н_пду и Е_пду) при воздействии ЛИ на кожу усреднение производится по ограничивающей апертуре диаметром 1,1х10³ м (площадь апертуры Sа=10^{-6 м2}). Для определения Н_пду и Е_пду при воздействии ЛИ на глаза в диапазонах 180-380 нм и 1400…100000 нм усреднение производится также по апертуре диаметром 1,1х10^{-3 м, в диапазоне 380-1400 нм – по апертуре диаметром 7∙10-3}.

Нормируются также энергия W и мощность Р излучения, прошедшего через указанные ограничивающие апертуры. ПДУ ЛИ существенно различаются в зависимости от длины волны, длительности одиночного импульса, частоты следования импульсов; установлены раздельные ПДУ при воздействии на глаза и кожу.

По степени опасности лазерного излучения лазеры подразделяются на следующие классы: 0 – безопасные (выходное излучение не представляет опасности для биологической ткани при остром и хроническом воздействии);

I – малоопасные (воздействие прямого и зеркально отраженного излучения только на глаза);

II – средней опасности (воздействия на глаза прямого, зеркально и диффузно отраженного излучения, также прямого и зеркального отраженного излучения на кожу);

III – опасные (воздействия на глаза, кожу прямого, зеркально и диффузно отраженного излучения; работа лазеров сопровождается возникновением других опасностей и вредных производственных факторов);

IV – высокой опасности (опасности характерные для лазеров I-III классов а также ионизирующие излучения с уровнем превышающем установленные допустимые пределы).

Классификацию лазеров по степени опасности осуществляют на основе временных энергетических и геометрических (точечный или протяженный источник) характеристик источника излучения и ПДУ лазерного излучения.

Глава 8. Электроопасность в производственной среде