Bezpieczeństwo pracy z laserami

Zasady bezpiecznej pracy z laserami regulują różne normy. W Polsce obowiązuje w chwili powstawania tej książki Polska Norma PN-EN 60825-1:2010, która określa zasady ochrony przed promieniowaniem laserowym w zakresie długości fal od 180 nm do 1 mm, obowiązujące zarówno użytkownika, jak i producenta. Norma definiuje spo-soby odpowiedniego ostrzegania przed zagrożeniem poprzez zastosowanie specjalne-go oznakowania, etykiet i instrukcji. Ustalenie norm i ich przestrzeganie jest koniecz-nie, aby zmniejszyć lub całkiem wyeliminować możliwości urazów.

Wpływ promieniowania laserowego na układy biologiczne zależy zarówno od pa-rametrów promieniowa, jak rodzaju tkanki. Szkodliwe działanie promieniowania lase-rowego dotyczy oczu oraz skóry człowieka, przy czym najbardziej zagrożone są oczy. Ze względu na kierunkowość wiązki zagrożenie promieniowaniem laserowym jest zagrożeniem potencjalnym, tzn. ekspozycja na to promieniowanie jest zazwyczaj przypadkowa (za wyjątkiem zabiegów medycznych). Jednakże niekontrolowana nawet krótkotrwała ekspozycja może być bardzo niebezpieczna. Dlatego też opracowywane są normy regulujące m.in. wartości najwyższej dopuszczalnej ekspozycji na promieniowa-nie laserowe. W Stanach Zjednoczonych obowiązują standardy opracowane przez

Ame-rican National Standard Institute, a sprawy bezpieczeństwa laserowego regulują między

innymi normy ANSI Z136.1–Z136.7 [9]. W Europie obowiązują normy opracowane przez CEN (Europejski Komitet Standaryzacji) EN 207/208/60825 [10]. W tabeli 3 przedstawiono efekty, jakie może wywołać nadmierna ekspozycja na promieniowanie laserowe w przypadku oka i skóry.

Tabela 3. Efekty patologiczne podczas ekspozycji na promieniowanie optyczne (według normy PN-EN 60825-1:2010) [11]

Zakres widmowy OKO SKÓRA

Nadfiolet C (180–280 nm)

Nadfiolet B (280–315 nm)

zapalne uszkodzenie rogówki

rumień i oparzenia przyspieszone starzenie skóry,

zwiększona pigmentacja Nadfiolet A (315–400 nm) ^{katarakta fotochemiczna} Widzialny (400–780 nm) fotochemiczne i termiczne uszkodzenie siatkówki

ciemnienie pigmentu, reakcje fotouczuleniowe, oparzenie

skóry Podczerwień A

(780–1400 nm) ^{katarakta, oparzenie siatkówki} Podczerwień B

(1400 nm–3 µm)

przymglenie rogówki, kata-rakta, oparzenie rogówki Podczerwień C

(3 µm–1 mm) ^{oparzenie rogówki}

Bezpieczeństwo pracy z laserami zależy od Granicy Emisji Dostępnej (GED), któ-rą definiuje się jako maksymalny poziom promieniowania emitowanego przez urzą-dzenie laserowe, dozwolony w obrębie danej klasy laserów lub urządzeń laserowych. Wartości granic emisji dostępnej odnoszą się do długości fali promieniowania lasero-wego i czasu trwania ekspozycji. Określone są przez wartość mocy [W], energii [J], natężenia promieniowania [W/cm2] lub napromieniowania [J/cm2].

Z kolei wartości MDE reprezentują maksymalny poziom napromieniowania, na który może być eksponowane oko lub skóra bez wynikających z tego obrażeń (zarów-no natychmiastowych, jak i pojawiających się po dłuższym czasie). Należy jednak pamiętać, że wartości te określają przypadkowe ekspozycje, a nie np. w celach tera-peutycznych. Wartości MDE są zdeterminowane przez poniższe parametry:

– długość fali promieniowania,

– czas trwania impulsu i czas ekspozycji, – rodzaj tkanki narażonej na obrażenie,

– rozmiar obrazu na siatkówce oka (w przypadku promieniowania widzialnego i bliskiej podczerwieni).

Wartości MDE ustalone są poniżej poziomu uznanego za zagrożenie. Powinny być używane jako wskazówki w kontroli ekspozycji, nie powinno się ich natomiast uwa-żać za precyzyjnie zdefiniowane linie, oddzielające poziom bezpieczny od niebez-piecznego. Trzeba bowiem pamiętać, że granica między tymi poziomami jest płynna. W każdym przypadku ekspozycja na promieniowanie laserowe powinna być tak mała, jak to tylko jest możliwe. Jeżeli laser emituje promieniowanie o kilku, znacznie róż-niących się długościach fal lub jeżeli impulsy promieniowania są nałożone na promie-niowanie ciągłe, obliczenia zagrożeń mogą być złożone. Ekspozycje na promiepromie-niowanie o kilku długościach fal trzeba traktować jako dodające się działania, proporcjonalne do efektywności widmowej zgodnie z wartościami MDE dla każdej długości fali.

Lasery ze względu na różne warunki pracy i związane z tym zagrożenie, dzieli się na 7 klas. Podział jest dokonywany ze względu na Granicę Emisji Dopuszczalnej GED i Maksymalną Dopuszczalną Ekspozycję MDE.

Urządzenia laserowe klasy 1 są całkowicie bezpieczne. Emitują promieniowanie z zakresu 302,5–4000 nm, którego GED nie przekraczają wymagań określonych we wspomnianej normie. Np. moc laserów widzialnych 400–700 nm, pracujących w spo-sób ciągły, nie może przekraczać 0,39 mW. Klasa 1 obejmuje również lasery o dużej mocy, które są całkowicie obudowane. Urządzenia laserowe klasy 1M mogą być nie-bezpieczne, jeżeli wprowadzimy elementy optyczne w tor wiązki. Urządzenia lasero-we klasy 1 i 1M mogą zawsze wywołać wrażenie wizualne oślepienia, zwłaszcza przy małym oświetleniu otoczenia.

Laser klasy 2, to laser emitujący promieniowanie widzialne (400–700 nm), które jest bezpieczne dla chwilowych ekspozycji. Laser o działaniu ciągłym nie może mieć mocy większej niż 1 mW, natomiast energia pojedynczego błysku lasera impulsowego wynosi do 0,2 μJ. Poza zakresem widzialnym GED nie może przekraczać wymagań klasy 1.

Laser klasy 2 jest całkowicie bezpieczny, nie wymaga stosowania okularów ochronnych. Dodatkowym zagrożeniem jest promieniowanie UV emitowane przez wyładowcze rury laserowe oraz wysokie napięcia zasilające. W przypadku klasy 2M, promieniowanie może stanowić zagrożenie, jeżeli wprowadzimy elementy optyczne w tor wiązki.

Laser klasy 3R, to laser emitujący promieniowanie widzialne (400–700 nm) o mocy nie wyższej niż 5 mW w przypadku pracy ciągłej i energii impulsu nie przekraczającej 1 μJ przy pracy impulsowej. Laser klasy 3A może być niebezpieczny i obserwacja wiązki światła przez przyrządy optyczne jest niebezpieczna. Nie jest wymagane stosowanie oku-larów ochronnych. Dodatkowym zagrożeniem jest promieniowanie UV emitowane przez wyładowcze rury laserowe i lampy błyskowe oraz wysokie napięcie zasilające. Lasery klasy 3R mogą być używane, gdy wykluczy się bezpośrednie patrzenie na wiązkę.

Laser klasy 3B, to laser emitujący promieniowanie widzialne lub niewidzialne. Lasery o pracy ciągłej w zakresie IR, VIS i UV(A) mają moc nieprzekraczającą 0,5 W. Lasery impulsowe tej klasy mają ograniczoną energię impulsu tak, aby napromieniowanie nie przekraczało 10⁵ J/m² (10 J/cm²) w zakresie VIS i IR. W obszarze UV(A) energia impulsu ma być mniejsza niż 125 mJ. Laser klasy 3B jest niebezpieczny. Obserwacja wiązek lase-rowych (również rozproszonych) przez przyrządy optyczne jest zabroniona. Jest wymaga-ne stosowanie okularów ochronnych. Praca z tymi laserami jest dozwolona po ukończeniu szkolenia BHP i instruktażu obsługi, potwierdzonych stosownym zaświadczeniem.

Laser klasy 4, to laser emitujący promieniowanie widzialne lub niewidzialne. Jego moc lub energia przekraczają maksymalne wartości dla lasera klasy 3B. Laser tej klasy o działaniu ciągłym ma moc wyższą niż 0,5 W, a laser impulsowy powoduje napromie-niowanie większe niż 10⁵ J/m² (10 J/cm²). Laser klasy 4 jest niebezpieczny. Niebez-pieczne jest promieniowanie rozproszone, zarówno dla oczu, jak i dla skóry. Jest wyma-gane stosowanie okularów ochronnych i odzieży ochronnej. Wymaga się też osłaniania torów wiązek laserowych. Praca z tymi laserami jest dozwolona po ukończeniu szkole-nia BHP i instruktażu obsługi, potwierdzonych stosownym zaświadczeniem.

Do określenia zagrożeń, jakie może stanowić promieniowanie laserowe wprowa-dzono nowe definicje, które również zostały zawarte w normach. Zaleca się również, aby ekspozycja na promieniowanie była możliwie jak najmniejsza [11].

Maksymalna Dopuszczalna Ekspozycja MDE reprezentuje maksymalny po-ziom napromieniowania, na który może być eksponowane oko lub skóra, bez powodowania obrażeń (zarówno natychmiastowych, jak i pojawiających się po dłuższym czasie). Wartość MDE zależy od długości fali promieniowania, czasu trwania ekspozycji, rodzaju tkanki, rozmiaru obrazu na siatkówce.

Granica Emisji Dopuszczalnej GED zdefiniowana jest jako maksymalny po-ziom promieniowania emitowanego przez urządzenie laserowe, dozwolony w ob-rębie danej klasy laserów lub urządzeń laserowych. Maksymalne dopuszczalne ekspozycje dotyczą użytkowników i zaleca się je traktować jako wskazówki.

Tabela 4. Etykiety objaśniające dla poszczególnych klas laserów [Polska Norma]

Klasa 1 URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 1

Klasa 1M PROMIENIOWANIE LASEROWE

NIE SPOGLĄDAĆ BEZPOŚREDNIO PRZEZ PRZYRZĄDY OPTYCZNE URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 1M

Klasa 2 PROMIENIOWANIE LASEROWE

NIE WPATRYWAĆ SIĘ W WIĄZKĘ URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 2

Klasa 2M PROMIENIOWANIE LASEROWE

NIE WPATRYWAĆ SIĘ W WIĄZKĘ LUB SPOGLĄDAĆ BEZPOŚREDNIO PRZEZ PRZYRZĄDY OPTYCZNE

URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 2M

Klasa 3R PROMIENIOWANIE LASEROWE

UNIKAĆ BEZPOŚREDNIEJ EKSPOZYCJI OCZU URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3R

Klasa 3B PROMIENIOWANIE LASEROWE

UNIKAĆ EKSPOZYCJI NA WIĄZKĘ URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3B

Klasa 4 PROMIENIOWANIE LASEROWE

UNIKAĆ EKSPOZYCJI OCZU I SKÓRY

NA PROMIENIOWANIE BEZPOŚREDNIE LUB ROZPROSZONE URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 4

Każdy laser powinien mieć etykietę zgodnie z wymaganiami zawartymi w obowią-zującej Polskiej Normie (patrz tab. 4). Znakiem ostrzegawczym jest czarny znaczek, symbolizujący promieniowanie, na żółtym trójkącie, a dodatkowo opis na żółtym tle (patrz rys. 5.5). Trzeba też pamiętać, że oprócz zagrożeń wynikających z promieniowa-nia laserowego, urządzepromieniowa-nia laserowe mogą powodować także pożar lub porażepromieniowa-nia elek-tryczne.

PROMIENIOWANIE LASEROWE UNIKAĆ EKSPOZYCJI OCZU

LASER KLASY 3R

Rys. 5.5. Znaki ostrzegawcze przed promieniowaniem laserowym

Najbardziej wrażliwym narządem na szkodliwe skutki promieniowania laserowego jest oko. Struktury oka zawierają duże ilości barwników, które silnie pochłaniają pro-mieniowanie z zakresu widzialnego i bliskiej podczerwieni. W zakresie długości fal od 400 do 1400 nm promieniowanie to wnika do wnętrza oka i jest ogniskowane na siatkówce, co może powodować jej uszkodzenie. Promieniowanie z zakresu długości

fal powyżej 1400 nm i poniżej 400 nm nie wnika do wnętrza oka, lecz może doprowa-dzić do uszkodzenia rogówki.

Do ochrony indywidualnej oczu przed promieniowaniem laserowym służą okulary, gogle i osłony twarzy zaopatrzone w specjalne filtry ochronne. Filtry powinny być zaw-sze dobrane do długości fali promieniowania lasera. Powinny dobrze tłumić promienio-wania laserowe, natomiast przepuszczać promieniowanie z innych obszarów widma tak, aby nie ograniczać dobrego widzenia. Przy wyborze ochrony oczu zaleca się także, aby była wygodna w noszeniu i zapewniała ścisłe dopasowanie do twarzy, zapewniając jak najszersze pole widzenia. Istotne jest również, aby oprawy oraz jakiekolwiek części boczne zapewniały taką samą ochronę, jaka jest zapewniona przez filtry. Do określenia skuteczności ochrony przed promieniowaniem laserowym wyznacza się parametry:

– widmowy współczynnik przepuszczania (τ(λ)), – gęstość optyczna (Dλ),

– współczynnik przepuszczania światła (τ_v), – odporność na promieniowanie laserowe.

Minimalną wartość gęstości optycznej (D_λ) filtrów, w warunkach założonej ekspo-zycji (H) oblicza się ze wzoru (9):

MDE H D 0 10 log = λ (9)

gdzie: H0 to spodziewany poziom ekspozycji niechronionego oka, MDE to maksymal-na dopuszczalmaksymal-na ekspozycja.

Zasadniczą informacją, która określa przydatność filtru do ochrony oczu przed promieniowaniem laserowym jest jego charakterystyka widmowa, obejmująca zakresy niebezpiecznego promieniowania laserowego oraz widzialnego. Na rysunku 5.6 za-prezentowano przykładową charakterystykę widmową filtra AXX stosowanego dla lasera aleksandrytowego, zakres widmowy (720–830 nm), przepuszczalność światła widzialnego 33% [12].

W przypadku laserów pracujących w trybie impulsowym, należy się kierować po-niższymi zasadami:

1. Ekspozycja dla dowolnego jednego impulsu w obrębie ciągu impulsów nie po-winna przekraczać MDE dla pojedynczego impulsu.

2. Średnie natężenie promieniowania dla ciągu impulsów o czasie trwania t nie powinno przekraczać MDE dla pojedynczego impulsu o czasie trwania t.

Dla promieniowania widzialnego czas odpowiedzi oka (mrugnięcie) jest przyjęty ja-ko czas ograniczający ekspozycję na promieniowanie i wynosi on t_g = 0,25 s. W przy-padku promieniowania poza zakresem widzialnym, czas trwania ekspozycji aproksy-muje się wartością 10 sekund.

3. Jeżeli częstotliwość repetycji przekracza wartość frep = 1 Hz, MDE dla poje-dynczego impulsu w ciągu impulsów modyfikuje się zgodnie ze wzorem (10):

4 1 −

⋅

=MDE N

MDE_{imp poj} , (10)

gdzie: N jest liczbą spodziewanych impulsów w ekspozycji, MDE_imp – ekspozycja dla dowolnego jednego impulsu w ciągu, a MDEpoj oznacza MDE dla pojedynczego im-pulsu. Jeżeli oko zostaje eksponowane na światło laserowe z zakresu UV przynajmniej dwukrotnie w przeciągu 24 godzin, efekty wywołane pojedynczymi ekspozycjami mogą się dodawać. Dlatego też wymaga się, aby każda wartość MDE w tym zakresie widmowym była podzielona przez 2,5 (zakłada się bowiem, że ponowna ekspozycja może nastąpić w przeciągu jednej doby).

Literatura

[1] TRÄGER F. (ed.), Handbook of Lasers and Optics, Springer, Berlin 2007.

[2] EICHLER J., EICHLER J., Laser, Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, 5. Auflage, Springer 2003.

[3] ABRAMCZYK H., Wstęp do spektroskopii laserowej, PWN, Warszawa 2000.

[4] KUJAWSKI A., SZCZEPAŃSKI P., Lasery – podstawy fizyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999.

[5] BERLIEN H-P., MÜLLER G. (eds.), Applied Laser Medicine, Springer, Berlin 2003.

[6] JÓŹWICKI R., Technika laserowa i jej zastosowania, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszaw-skiej, Warszawa 2009.

[7] ZIĘTEK B., Lasery, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2009.

[8] BEDNARKIEWICZ A., STRĘK W., Oddziaływanie światła laserowego z tkanką, [w:] Diagnostyka

i terapia fotodynamiczna, red. H. Podbielska, A. Sieroń, W. Stręk, Wyd. Medyczne Urban &

Part-ner, Wrocław 2004, 33–87.

[9] http://webstore.ansi.org/packages/lasers.aspx [10] www.cen.eu

[11] Polska Norma PN-EN 60825-1 lipiec 2010: Bezpieczeństwo urządzeń laserowych, Część 1:

Klasyfi-kacja sprzętu i wymagania, Warszawa 2010.

ROZDZIAŁ 6