 |
Лекция 12 Лазерное излучение 12.1 Общие сведения
|
|
|
|
Лазерное излучение (ЛИ) – вынужденное испускание ато-мами вещества квантов электромагнитного излучения. Лазер (англ. laser – аббревиатура словосочетания Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает – усиление света вынужденным излучением) – ге-нератор электромагнитного излучения оптического диапазона.основе работы лазера лежит открытое А. Эйнштейном явление индуцированного излучения, заключающееся в том, что наряду с «обычным» процессом испускания, известным как спонтанное (самопроизвольное) испускание, наблюдается про-цесс испускания, происходящий не самопроизвольно, а под воз-действием излучения окружающей молекул среды. Возмож-ность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн впервые была отмечена В.А. Фабрикан-том.
Особенностью лазерного излучения являются высокая степень когерентности, малая угловая расходимость (коллима-ционность) и монохроматичность. Когерентность – строгая со-гласованность по частоте и фазе, что позволяет на сравнительно малой площади получать большие значения плотности потока. Монохроматическое излучение – это электромагнитное излуче-ние одной отдельной частоты. Степень когерентности оценива-ется временем когерентности, в течение которого фазовые ха-рактеристики волны остаются постоянными. например, коге-рентность нелазерных тепловых источников колебаний состав-ляет 10–8 с, а для лазеров это время доходит до 10–2
Когерентный пучок, в отличие от некогерентного, можно сфокусировать в пятно с диаметром порядка длины волны излу-чения (1…10 мкм). Это даёт возможность концентрировать све-товую энергию в пространстве. Лазеры, генерирующие непре-рывное излучение, позволяют создавать интенсивность порядка 1010 Вт/см2, что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 1015 Вт/см2 и больше, что позволяет наблюдать нелинейные оптические эффекты и откры-вать возможность создания управляемого термоядерного синте-за. Среднее значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1–0,2 Вт/см2.
|
|
|
Лазерное излучение за счёт монохроматичности и колли-мационности способно распространяться на значительные рас-стояния и отражаться от границы раздела двух сред, что позво-ляет применять эти свойства в дальнометрии, для целей лока-ции, навигации, связи. Благодаря этим уникальным свойствам лазеры нашли широкое применение в науке и технике (машиностроении, авиации и космонавтике, судостроении, геодезии, строительстве, измерительной технике, голографии, при иссле-довании структуры вещества, в вычислительной технике, мик-роэлектронике, для создания различных оптических эффектов в театрально–зрелищных мероприятиях, осуществлении направ-ленных химических реакций, разделении изотопов и т.п.). лазе-ры позволяют быстро и надёжно контролировать загрязнённость атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагружен-ные участки деталей различных механизмов, определять внут-ренние дефекты в них.
Исключительно большое применение нашли лазеры в ме-дицине. С помощью лазеров успешно выполняются операции на внутренних органах грудной и брюшной полостей, проводят кожно–пластические операции. При интенсивности излучения порядка 20…30 Вт/см2 лазерный луч используется для сшивания тканей (биологическая сварка). Лазеры успешно применяются в микрохирургии глаза, стоматологии, терапии, онкологии. Лазе-ры начинают применять для диагностики различных заболева-ний.
|
|
|
Принцип действия лазера основан на свойстве атома излу-чать фотоны при переходе из возбуждённого состояния в основ-ное (с меньшей энергией). Переход атома или молекулы с одно-го энергетического уровня на другой совершается скачком; при этом поглощается или напротив, испускается соответствующая порция энергии – квант света, или фотон. При переходе атома на более высокий энергетический уровень (с Е 1 на Е 2) фотон по-глощается; при переходе же атома на более низкий уровень (с Е 2 на Е 1) происходит испускание фотона. Энергия поглощаемого или испускаемого фотона Е ν равна разности энергий уровней атома, между которыми совершается переход: Е ν = Е 2 –Е 1 =hν, где
ν – частота излучения, Гц; h – постоянная Планка, Дж·с
(h=6,6·10 –34 Дж·с).
Излучение лазера можно условно характеризовать двумя группами параметров. К первой группе относят энергетические параметры, ко второй – геометрические. Общими для обеих групп являются длина волн и длительность излучения.
Основными элементами любого лазера являются активная среда, содержащая атомы или молекулы, способные относительно долго оставаться на своих верхних энергетических уров-нях, источник энергии для её возбуждения, зеркальный оптиче-ский резонатор и система охлаждения. По активному элементу лазеры классифицируют на твердотельные, газовые, жидкост-ные, полупроводниковые, газодинамические. Жидкостные лазе-ры характеризуются использованием в качестве активного эле-мента жидких сред – металлоорганических и неорганических. Газовые лазеры объединяют лазеры на нейтральных атомах, на ионизированных газах, на двухатомных и многоатомных моле-кулах.
При использовании в качестве активной среды различных веществ лазеры могут индуцировать излучение практически на всех длинах волн, начиная с ультрафиолетовых и заканчивая длинноволновыми инфракрасными.
Основными физическими величинами, характеризующи-ми ЛИ, являются: длина волны (мкм), энергетическая освещен-ность (Вт/см2), экспозиция (Дж/см2), длительность импульса (с), длительность воздействия (с), частота повторения импульсов (Гц).
В зависимости от типа конструкции и целевого назначе-ния лазеров и лазерных установок на работников могут воздей-ствовать следующие опасные и вредные факторы:
|
|
|
– собственно лазерное излучение (прямое, отражённое и рассеянное);
– сопутствующие ультрафиолетовое, видимое и инфра-красное излучения от источников накачки, плазменного факела
и материалов мишени;
– токсические газы и пары от лазерных систем с прокач-кой хладагентов и др.;
– продукты взаимодействия лазерного излучения с обра-батываемыми материалами;
– повышенная температура поверхностей лазерного изде-
лия;
– опасность взрыва в системах накачки лазеров;
– высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания;
– электромагнитное излучение промышленной частоты и радиочастотного диапазона;
– рентгеновское излучение от газоразрядных трубок и других элементов, работающих при анодном напряжении более
5 кВ;
– шум, вибрация.
При эксплуатации и разработке лазеров необходимо также учитывать возможность взрывов и пожаров при попадании ла-зерного излучения на горючие материалы.
12.2 Биологическое действие лазерного излучения Биологические эффекты воздействия лазерного излучения
на организм определяются механизмами взаимодействия излу-чения с тканями (тепловой, фотохимический, ударно– акустический и др.) зависят от длины волны излучения, дли-тельности импульса (воздействия), частоты следования импуль-сов, площади облучаемого участка, а также от биологических и физико–химических особенностей облучаемых тканей и орга-нов.
При работе с лазерными установками человек может под-вергаться воздействию прямого (коллимированного), рассеянно-го и отраженного излучения. Энергия лазерного излучения, по-глощённая тканями, преобразуется в другие виды энергии: теп-ловую, механическую, энергию фотохимических процессов, что может вызвать ряд эффектов: тепловой, ударный, светового дав-ления и др., способных оказывать негативное действие на орга-низм человека или отдельные его органы и в первую очередь на глаза и кожу. В основе повреждений глаз и кожи, выявленных для относительно кратковременных воздействий, лежит тепло-вой механизм. В то же время в опытах на животных и при кли-ническом обследовании лиц, подвергавшихся хроническому воздействию малых уровней излучения, показана возможность неблагоприятного действия лазерного излучения на внутренние органы (печень, спинной мозг и др.). У части работающих не-благоприятные патологические изменения проявились в виде функциональных расстройств центральной нервной системы, вегетативной дисфункции, нарушении сердечно–сосудистой ре-гуляции. Имеются данные об определённых изменениях в пока-зателях периферической крови. Облучение глаз сопровождается развитием дистрофических изменений в коре головного мозга. Возможно и травмирование глаз лазерным излучением. Сетчатка глаза может быть поражена лазерами видимого
|
|
|
(0,38–0,7 мкм) и ближнего инфракрасного (0,75–1,4 мкм) диапа-зонов. Лазерное ультрафиолетовое (0,18–0,38 мкм) и дальнее инфракрасное (более 1,4 мкм) излучения не достигают сетчатки, но могут повредить роговицу, радужку, хрусталик. Достигая сетчатки, ЛИ фокусируется преломляющей системой глаза, при этом плотность мощности на сетчатке увеличивается в 1000– 10000 раз по сравнению с плотностью мощности на роговице. Короткие импульсы (0,1 с–10–14 с), которые генерируют лазеры, способны вызвать повреждение органа зрения за значительно более короткий промежуток времени, чем тот, который необхо-дим для срабатывания защитных физиологических механизмов (мигательный рефлекс 0,1 с).
Вторым критическим органом к действию ЛИ являются кожные покровы. Взаимодействие лазерного излучения с кож-ными покровами зависит от длины волны и пигментации кожи. Отражающая способность кожных покровов в видимой области спектра высокая. ЛИ дальней инфракрасной области начинает сильно поглощаться кожными покровами, поскольку это излу-чение активно поглощается водой, которая составляет 80% со-держимого большинства тканей; возникает опасность возникно-вения ожогов кожи.
Хроническое воздействие низкоэнергетического (на уровне или менее ПДУ ЛИ) рассеянного излучения может при-водить к развитию неспецифических сдвигов в состоянии здо-ровья лиц, обслуживающих лазеры. При этом оно является своеобразным фактором риска развития невротических состоя-ний и сердечно–сосудистых расстройств.
|
|
|
