Univerzitet u TuzliMašinski FakultetOdsjek: Proizvodno mašinstvo Tuzla, 18.11.2012. godine

SEMINARSKI RADPredmet: Laserske tehnologije

Tema: Sigurnost pri radu sa laserima

Student:Mustafa Hadžić II-422/10

Prof: Dr.sc. Edin Cerjaković, docentAsistent: Mr.sc. Adnan Mustafić, viši asistent

1

SIGURNOST PRI RADU SA LASERIMA

1. UVOD

LASER je skraćenica od skupa riječi: LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation, a ime je za izvor svjetlosti kod kojeg se za razliku od konvencionalnih izvora svjetlosti, svjetlost generira mehanizmom stimulirane emisije. Iako na prvi pogled fizika lasera zvuči jako komplikovano, razvojem tehnologije i to pogotovo tehnologije bazirane napoluvodičima, laseri nas danas u velikom broju okružuju u našem svakodnevnom životu.Još je davne 1917. godine u svom radu «On the Quantum Theory of Radiation» Albert Einstain dao teorijski koncept i predvidio izum lasera i njegove preteče masera. Maser je uređaj koji radi na jednak način kao i laser, ali u drugom frekvencijskom području. Maser je izvor mikrotalasa, dok je laser izvor elektromagnetskih talasa u infracrvenom i vidljivom dijelu spektra. Prvi laser napravio je 1960.godine Theodore H. Maiman zaposlen na Huges Research Laboratorie Malibu, California. Njegov je laser emitirao svjetlost valne duljine 694 nm u pulsnom režimu, a lasersku emisiju postigao je stimuliranom emisijom iz rubinskog kristala pobuđenog svjetlosnom lampom. Nakon toga, laseri se počinju naveliko proizvoditi u eksperimentalnim laboratorijama širomsvijeta, dok konačno razvojem tehnologije danas imamo pravu lasersku revoluciju. Lasersko zračenje, u odnosu na zračenje običnih svjetlosnih žarulja, karakterizira koherentnost, usmjerenost i monokromatičnost. Koherentno zračenje je ono zračenje kod kojega svi svjetlosni valovi od kojih je ono sastavljeno titraju u fazi (svi su događajisinhronizirani). Laserska zraka je usmjerena, dakle zračenje se rasprostire samo u relativno uzak prostorni kut, pa su i udaljenosti rasprostiranja takvog zračenja velike. Nadalje, lasersko zračenje je monokromatsko, tj. sastoji se od relativno uskog frekventnog spektra ili možemo reći samo od jedne boje. Osnovni dijelovi jednog lasera čine rezonator (dva zrcala), aktivnilaserski medij i optička pumpa, a shematski su prikazani na slici 1.

Slika 1. Shematski prikaz osnovnih dijelova lasera

Lasere razlikujemo po različitim aktivnim laserskim medijima u kojima se stvara lasersko zračenje, što određuje osnovna svojstva emitiranog zračenja (frekvenciju, spektralnu poluširinu, snagu,...).

Aktivni laserski medij može biti plin pa tada govorimo o plinskim laserima (He-Ne, Ar, Xe, CO2, N2), kristal (Ti:safir, Nd:YAG,...), organska boja, egzimernamolekula (KrF, ArF, XeCl) ili poluvodič (diodni, elektronski laseri). S obzirom na raspodjeluemitiranog zračenja u vremenu lasere dijelimo na kontinuirane i pulsne. Kod kontinuiranih lasera svjetlost je konstantna u vremenu, dok se kod pulsnih lasera svjetlost periodički mijenja u vremenu. Zbog tromosti našeg oka, u slučajevima velike repeticije pulseva teško je razlučiti pojedine puseve, pa nam se pulsni laseri čine kontinuirani.Na Slici 2 prikazana je fotografija prostiranja laserskih pulseva repeticije 1 kHz, kroz prostor Laboratorija za femtosekundnu lasersku spektroskopiju Instituta za fiziku. Iako je za naše oko ova repeticija još uvijek velika, na fotografiji se vrlo jasno razlučuju pojedini pulsevi.

Slika 2. Puls po puls: femtosekundni pulsevi repeticije 1 kHz snimljeni kamerom

Razvoj pulsnih lasera potaknut je kroz povijest osnovnom ljudskom težnjom da promatra i proučava stvari što brže i na što kraćoj vremenskoj skali.

2. SIGURNOST LASERA

Budući da čak i relativno male količine laserske svjetlosti mogu dovesti do trajnih ozljeda oka prodaja i upotreba lasera je obično predmet državnih propisa. Umjereni i high-power laseri su potencijalno opasni jer oni mogu spaliti mrežnice oka, ili čak i kožu.

Slika 2. Europska oznaka za laser

2

Za kontrolu rizika od ozljede, postoje propisi, na primjer ANSI Z136 u Americi i  IEC 60825 međunarodni standard , koji definišu klase lasera ovisno o njihovoj snazi i talasnoj dužini. Ti standardi propisuju potrebne sigurnosne mjere, kao što su označavanje lasera s određenim upozorenjima, i obaveznu upotrebu zaštitnih naočara prilikom rada sa laserom.

2.1 OPASNOST OD LASERSKOG ZRAČENJA

Lasersko zračenje uglavnom uzrokuje ozljedu putem toplinskih učinaka. Čak i laseri umjerene snage mogu uzrokovati ozljede oka. Laseri velikih snaga mogu da spale kožu. Neki laseri su toliko snažni da čak i reflektovana laserska zraka može da bude opasna za oči. Koherentnost i mali ugao divergencije laserske zrake, potpomognuto fokusiranjem leće oka, može uzrokovati lasersko zračenje koncentrisano na iznimno malu tačku na mrežnici. Ako je laser dovoljno snažan, može doći do trajnog oštećenja u samo jednoj sekundi, doslovno brže od treptaja oka. Dovoljno snažni laseri u vidljivom infracrvenom rasponu (400-1400 nm) će ući u očnu jabučicu, i mogu izazvati zagrijavanje mrežnice, dok je izloženost laserskog zračenja s valnim dužinama manjim od 400 nm i većim od 1400 nm u velikoj mjeri apsorbovano rožnicom i lećama, koje dovodi do razvoja katarekte ili opekline.

2.2. MEHANIZMI OŠTEĆENJA

Laseri mogu uzrokovati oštećenja u biološkim tkivima, na oku i na koži, zbog nekoliko mehanizama.Toplinska oštećenja, ili opekotine, nastaju kada se tkivo zagrijava do tačke gdje se javlja denaturacija proteina. Drugi mehanizam je mehanizam fotokemijskih oštećenja, gdje svjetlost aktivira kemijske reakcije u tkivu. Fotokemijska šteta se događa uglavnom s kratkim valnim dužinama (plava i ultra-ljubičasta) svjetla, a može se akumulirati tijekom vremena. Laserski impulsi kraći od oko 1 μs mogu uzrokovati nagli porast temperature, što rezultira eksplozivnom ključanju vode. Udarni val od eksplozije naknadno može uzrokovati oštećenje blizu mjesta udara. Oko fokusira vidljivo i gotovo infracrveno svjetlo na mrežnicu. Ultraljubičasto svjetlo valne dužine kraće od 400 nm ima tendenciju da se apsorbira u rožnici i leći, gdje se mogu proizvesti ozljede zbog fotokemijske štete. Infracrveno svjetlo uglavnom uzrokuje termičku štetu na mrežnici. Tabela u nastavku prikazuje razna medicinska stanja uzrokovana laserima različitih talasnih dužina, ne uključujući ozljede zbog pulsirajućih lasera.

Tabela 1. Medicinska stanja

Talasna dužina Patološki efekat

180–315 nm (UV-B, UV-C)

photokeratitis (upala rožnice, što je ekvivalent za opekline)

315–400 nm (UV-A)

fotokemijski katarakta (zamućenje objektiva oka)

400–780 nm (vidljivo)

fotokemijska oštećenja mrežnice, spaljenje mrežnice

780–1400 nm (blizu IC)

katarakta, spaljenje mrežnice

1.4–3.0μm (IC) spaljenje mrežnice

3.0 μm–1 mm spaljenje mrežnice

Koža je obično mnogo manje osjetljiva na lasersku svjetlost od oka, ali prekomjerno izlaganje ultraljubičastom svjetlu iz bilo kojeg izvora (laser ili ne-laser) može uzrokovati kratkoročne i dugoročne učinke slične opeklinama, a vidljive i infracrvene talasne dužine su uglavnom štetne zbog toplinskog oštećenja.

2.3 AVIONSKA SIGURNOST I LASERI

Od 19. Novembra 2004., dogodilo se više od 2800 nezgoda usljed laserskih zraka usmjerenih na avione u SAD-u. Ovi problemi doveli su do istrage u Američkom kongresu. Izloženost laserskim zrakama može prouzrokovati opasna stanja kao što su kratkotrajna sljepoća. Ukoliko se to dogodi u kritičnom trenutku operacije avionom, avion može biti ugrožen.

2.4. KLASIFIKACIJA LASERA

Laseri su klasificirani prema talasnoj dužini i maksimalnoj izlaznoj snazi u četiri razreda i nekoliko potklasa od ranih 1970-ih. Klasifikacije kategorišu lasere prema njihovoj sposobnosti da štete izloženim osobama, od klase 1 (nema opasnosti tijekom normalnog korištenja) do klase 4 (teška opasnost za oči i kožu). Postoje dva klasifikacijska sistema, "stari sistem" korišten prije 2002., i "prerađeni sistem" u upotrebi od 2002.

2.4.1 PRERAĐENI SISTEM

Ispod su navede glavne karakteristike za klasifikacijski sistem što je navedeno od strane IEC 60825-1 standarda:

Klasa 1

Laser klase 1 je siguran u svim uslovima običajene upotrebe. Važno jeda određeni laseri klasificirani kao klase 1 i dalje mogu predstavljati opasnost kada se zraka posmatra sa teleskopom ili mikroskopom.

Slika 3. Primjer oznake na laseru

3

Klasa 1M

Laser klase 1M je siguran za sve uslove korištenja, osim kada zraka prolazi kroz optičko povećalo, kao što je mikroskop i teleskop. Laseri klase 1M proizvode zrake velikih promjera , ili zrake koje su divergentne.

Klasa 2

Laser klase 2 je siguran, jer treptajni refleks oka će ograničiti izloženost ne više od 0,25 sekundi. To se odnosi samo na vidljive svjetlosti lasera (400-700 nm). Class-2 laseri su ograničeni na 1 MW kontinuiranog talasa, ili više ako je vrijeme emisije manje od 0,25 sekundi ili ako svjetlost nije prostorno koherentna. Mnogi laserski pokazivači i mjerni instrumenti su klase 2.

Klasa 2M

Laser klase 2M je siguran jer treptajni refleks oka ne dozvoljava dugo izlaganje oka laserskoj zraci, osim ako se zraka ne posmatra kroz optičke instrumente. Kao i kod klase 1M, ovo se odnosi na laserske zrake s velikim promjerom ili velike divergencije.

Klasa 3R

Klasa 3R lasera se smatra sigurnim ukoliko se rukuje

pažljivo, s ograničenom izloženošću oka laserskoj

zraci. S laserom klase 3R, MPE (maximum permissible

exposure) može biti prekoračen, ali s niskim rizikom od

ozljeda. Vidljivi kontinuirani laseri u klasi 3R su

ograničeni na 5 mW.

Klasa 3BLaser klase 3B je opasan ako se oko izloži direktno laserskoj zraci, ali difuzne refleksije, poput onih od papira ili drugih srodnih površina nisu štetne. Zaštitne naočale obično su potrebne gdje je moguć direktan kontakt oka sa laserskom zrakom lasera klase 3B. Laseri klase 3B moraju biti opremljeni s ključnim prekidačem i sigurnosnom blokadom. Klasa 3B laseri se koriste unutar CD i DVD pisača, iako je sam CD pisač klase 1 jer laserska svjetlost ne može napustiti jedinicu.

Klasa 4U klasu 4 spadaju najopasniji laseri, uključujući sve lasere koji premašuju klase 3B. Po definiciji, laser klase 4 može izgorjeti kožu ili izazvati razorno i trajno oštećenje vida kao posljedica izravnog ili neizravnog gledanja laserskog snopa. Ovi laseri mogu zapaliti lako zapaljivi materijal, dakle predstavljaju i opasnost od požara. Zrake ovih lasera su takođe opasne ukoliko su reflektovane, pa čak i od naizgled mat površina-što znači da se velika pažnja treba posvetiti putanji laserske zrake.

2.4.2 STARI SISTEM

Sigurnosne klase u "starom sistemu" klasifikacije uspostavljene su u Sjedinjenim Američkim Državama kroz standard (ANSI Z136.1) i federalnim i državnim propisima. Ovaj sistem klasifikacije je tek neznatno promijenjen iz izvornog sistema razvijenog u ranim

1970-im. Klasifikacija ovisi o talasnoj dužini laserske svjetlosti i od toga da li je snop pulsirajući ili kontinuirani.

Klasa IInherentno siguran, ne postoji mogućnost ozljede oka, to je zbog niske izlazne snage (u čijem slučaju oštećenje oka je nemoguće, čak i nakon sati sizloženosti laserskoj zraci) ili zbog rada u zatvorenom prostoru gdje je spriječena izloženost laserskim zrakama (npr. CD player-i ili pisači).

Klasa IITreptajni refleks ljudkog oka će spriječiti oštećenja, osim ako osoba namjerno izlaže oko laserskom zraku.Izlazna snaga može biti i do 1 MW. U ovu klasu spadaju samo laseri koji proizvode vidljivu svjetlost.

Klasa II aOva klasa lasera zahtijeva izloženost laserskom zraku u vremenu od 1000 sekundi da bi došlo do spaljenja na mrežnici. Komercijalni laserski skeneri nalaze se u ovoj podklasi.

Klasa III aLaseri u ovoj klasi su uglavnom opasni u kombinaciji s optičkim instrumentima koji mijenjaju prečnik zrake ili gustoću snage, iako čak i bez optičkog instrumenta pri izravnom kontaktu s okom za više od dvije minute može uzrokovati ozbiljne štete na mrežnici.

Klasa III bLaseri u ovoj klasi mogu uzrokovati štetu ako snop ulazi u oči izravno. To se obično odnosi na lasere pogonjene snagom od 5-500 mW. Laseri u ovoj kategoriji mogu uzrokovati trajno oštećenje očiju s izloženosti stotim dijelom sekunde ili manje, ovisno o jačini lasera. Preporučuje se upotreba zaštitnih naočala ukoliko je oko direktno izloženo laserskoj zraci klase III b.

Klasa IVLaseri iz ove klase imaju izlaznu snagu veću od 500 mW i mogu uzrokovati ozbiljna trajna oštećenja oka ili kože bez optičkog uvećala. Mnogi industrijski, znanstveni, vojni i medicinski laseri su u ovoj kategoriji.

3. MJERE SIGURNOSTI

Zaštitne naočaleZaštitne naočale koriste se prilikom rada sa klasom lasera 3b i 4 ukoliko je oko izloženo zračenju većem od MPE (maximum permissible exposure) koje su potrebne prema zakonu o zaštiti na radu.

4

Slika 4. Zaštitne naočale

Zaštitne naočale pružaju zaštitu očima od reflektovane ili raspršene laserske zrake s opasnom snagom snopa, kao i od direktnog izlaganja laserkom snopu. Naočale moraju biti izabrane za određeni laser, da bi blokirale snop ili ga razrijedile na određenu talasnu dužinu. Npr. Naočale koje upijaju zrake talasne dužine 532 nm su narandžaste boje. Međutim, takve naočale će biti beskorisne za laserske zrake talasne dužine 800 nm.Ukoliko se u snopu nalazi IR zračenje, što imamo kod nekih zelenih laserskih pokazivača, snop neće biti blokiran crveno ili narandžasto obojenim zaštitnim naočalama. Zaštitne specifikacije (talasna dužina i optička gustoća) su oglavnom označene na zaštitnim naočalama.

Blokade i automatsko isključenje

Blokade su ustavri električna kola koja zaustavljaju laserski snop ukoliko neki od uslova nije zadovoljen, npr. ukoliko radni prostor lasera nije zatvoren. Laseri klase 3B i 4 obično imaju priključak za vanjsku blokadu. Laseri klase 1 gotovo uvijek imaju blokadu koja će ugasiti laser ukoliko je kućište otvoreno. Neki laseri posjeduju elektroniku koja automatski gasi laser u određenim uslovima.

Nadzornik za sigurnost pri upotrebi lasera

U nekim državama, organizacije koje rade sa laserima imaju nadzornika za sigurnost (LSO – Laser safety officer). Nadzornik je odgovoran da se svi radnici u organizaciji pridržavaju sigurnosnih propisa.

4. BIOFIZIKA DJELOVANJA LASERA NA TKIVO

Kada posmatramo međusobno djelovanje između laserskog svjetla i biološkog tkiva, parametri laserskog svjetla moraju biti u skladu sa fizikalnim parametrima biološkog tkiva. Stepen efekta ovisi o osobinama tkiva koje su određene njegovom strukturom, udjelom vode i cirkulacijom krvi (apsorpcija, prodiranje, refleksija,toplotna provodljivost, toplotni kapacitet i gustoća), te o geometriji laserske zrake (gustoći i udjelu energije, te talasnoj dužini). Ovisno o trajanju djelovanja laserske zrake na tkivo (vrijeme djelovanja), sa jedne strane i o laserskom isijavanju po površini ili u dubinu tkiva (stvarna gustoća energije) sa druge strane, razlikujemo tri vrste interakcije sa tkivom:

-fotokemijski učinak (10s - 1.000s; 10-3 - 1W/cm2)-fototermički učinak (1ms - 100s; 1 - 106 W/cm2)

-fotoionizacijski učinak (10ps - 100ns; 108 - 1012 W/cm2).

4.1 Fotohemijski učinak

Kod ekstremno duge izloženosti djelovanju lasera male snage dolazi do fotokemijskih promjena zbog apsorpcije svjetlosti bez prethodnog zagrijavanja tkiva. Najvažniji primjer predstavlja fotoosjetljiva oksidacija.Kombinovana upotreba laserskog svjetla i ubrizganog fotoosjetljivog sredstva, danas najčešće derivata hematoporphrin-a (HpD), inicira citotoksični proces. Većina tkiva prožetog fotoosjetljivim sredstvom jeuništena nakon osvjetljavanja laserom. Laserom stimulirano fotoosjetljivo sredstvo uzrokuje seriju unutarmolekularnih kemijskih reakcija koje zatim dovode do oksidacije različitih komponenata stanice.

4.2 Fototermički učinak

Skraćivanjem vremena djelovanja i povećanjem snage započinje fototermičko djelovanje. Glavna primjena lasera u hirurgiji se zasniva na pretvaranju laserskesvjetlosti u toplinu. Taj toplotni učinak se široko koristi u hirurgiji kako za rezanje,tako i za koagulaciju tkiva.Stepen i opseg toplotnog djelovanja ovise sa jedne strane o optičkim i toplotnim osobinama tkiva, a sa druge strane o snazi laserskog svjetla. Najvažniji optički parametar predstavlja apsorpcija bioloških molekula koja ovisi o talasnoj dužini laserskog svjetla. Najveća apsorpcija bioloških molekula javlja se kodtalasnih dužina kraćih od 280nm. Visoki udio vode (cca 60%) u većini tkiva dovodi do široke apsorpcije infracrvenog spektra zračenja. To dovodi do vrlo učinkovitog prijenosa energije i zagrijavanja tkiva kada je ozračeno laserskim svjetlom tih talasnih dužina, npr. Nd:YAG-laser.

4.3 Fotoionizacijski učinak

U trenutku kada se premaši gustoća snage od 107W/cm2 javljaju se nelinearni rezultati. Ozračivanje takvim snagama proizvodi snažna električna polja koja vode razdvajanju, odnosno ionizaciji ozračenog tkiva. Time se lasersko svjetlo pretvara u kinetičku energiju.Velika gustoća fotona uzrokuje povećanu apsorpciju i izravno beztermičko kidanje međumolekularnih veza. Ta pojava je poznata pod nazivom fotoablacija. Kada se dosegne određeni stupanj ionizacije slijedi ga porasttemperature plazme. U plazmi zatim dolazi do iznenadne ekspanzije koju pratimehaničko-akustični udarni val. Taj udarni val kida strukturu tkiva (fotodisrupcija) ili dezintegrira ciljani materijal (fotofragmentacija). Ovi ionizirajući efekti se najčešće koriste u oftalmologiji i mikrokirurškim zahvatima, na i u oku, a bez oštećivanja zdravog tkiva.

5. SIGURNA UPOTREBA LASERA U MEDICINI

Većina hirurga koja koristi laser u svome radu uglavnom su upoznati i svjesni rizika ozljeda oka. U radu treba uvijek primjeniti odgovarajuće mjere zaštite očiju. Međutim, pretjerana zaštita očiju također može

5

onemogućiti sigurno i pravilno izvođenje hirurškog zahvata. Do određene snage, sve talasne dužine lasera su bezopasne, jer lasersko svjetlo nije ionizirajuće zračenje poput X-zraka. Opasnost postoji samo kod izlaganja laserskom svjetlu velike snage. Zaštita očiju za vrijeme laparaskopskih zahvata sastoji se od dodavanja filtera između oka i laparaskopa. Obično postoji i zaštitni mehanizam koji onemogućuje aktivaciju lasera na otvorenom (izvan cijevilaparaskopa, odnosno trbušne šupljine). Najveći rizik povezan sa laserskim uređajima je rizik od strujnog udara. U normalnim uslovima održavanja i korištenja, taj je rizik zanemariv. Međutim, opasnost nastajekod otvaranja uređaja. Laserske uređaje, kao i ostale električne medicinske uređaje smije otvarati i popravljati samo ovlašteni i educirani serviser. Vatra je sljedeći rizik u korištenju lasera. Laser se smije aktivirati tek kada je pravilno usmjeren na ciljano tkivo. Posljednji rizik je onaj od oštećenja kože. Ako se koža ozrači laserskom zrakom velike snage (>1W/mm2), obično će doći do opekotina. Duže izlaganje kože UV laserskom svjetlu manje snage rezultira simptomima sličnim opekotinama od sunca.Kod otvorenih zahvata treba koristiti zaštitne naočale s filterima koji odgovaraju talasnoj dužini korištenog lasera. Svim osobama unutar nominalno opasne zone, treba također osigurati odgovarajuću zaštitu očiju.Svaki proizvođač lasera obično navodi potrebne karakteristike zaštitne opreme u uputama za korištenje uređaja. Kod endogenih zahvata, zaštita očiju je potrebna svima koji izravno gledaju na mjesto zahvata uz pomoć optičkog sistema, kao što je npr. endoskop.

6. LITERATURA

[1] Significance of Laser SafetyC. Philipp, H. Albrecht, B. Hug, H.-P. Berlien, G. Müller in: Lasers in Gynecology, Ed. G. Bastert, D. Wallwiener, Springer Verlag Heidelberg; 1992[2] Safety and HealthFact Sheet No. 19© 1998 American Welding Society:LASER WELDING AND CUTTING SAFETY[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_safety

6