Действие лазерного излучения на глаза

Функциональная схема и некоторые характеристики лазеров.

Тема 7. Лазерное излучение

Лазеры используются для обработки материалов, для получения высокотемпературной плазмы, для целей связи, в физических исследованиях, в медицине, в оборонной технике.

Вместе с тем возможность огромной концентрации энергии вплоть до значений 10¹⁴-10¹⁵ Вт/см² (в импульсе длительного порядка 30 нс) является источником серьёзной опасности для людей, работающих с лазерами. Такие большие плотности потока мощности не встречаются нигде в природе. Для сравнения укажем, что плотность мощности излучения на поверхности Солнца составляет примерно 10⁸ Вт/см² (постоянное излучение). Лазерное излучение может вызвать серьёзные ожоги, а при поражении глаз привести к слепоте. Поэтому вопросам техники безопасности при работе с лазерами должно уделяться большое внимание.

Любой оптический квантовый генератор (лазер) состоит из трех главных элементов: активного вещества, источника накачки, приводящего активное вещество в возбуждённое состояние, и оптического резонатора, состоящего из двух параллельных друг другу зеркал (рис. 7.1). Главным элементом лазера является активное вещество, которое в возбуждённом состоянии имеет отрицательную проводимость, получающуюся вследствие инверсной населённости энергетических уровней.

Наличие резонатора способствует созданию положительной обратной связи и поддержанию режима генерации. Одновременное синфазное излучение

многих атомов приводит к возникновению монохроматического когерентного узконаправленного излучения всего лазера в целом. Для вывода этого

излучения наружу одно из зеркал резонатора

делается полупрозрачным.

Различные типы лазеров отличаются друг от друга видом применяемого активного вещества.

В качестве активного вещества могут использоваться кристаллы рубина, специальные виды стекол (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры), различные газы или смеси газов (газовые лазеры) или жидкости (жидкостные лазеры). Все эти типы лазеров различаются по конструкции и параметрам излучения.

В качестве примера приведём параметры резания материалов лучами лазеров (таблица 7.1).

Таблица 7.1

Материал	Глубина резания, мм	Скорость, резания, мм/мин	Ширина разреза, мм	Мощность излучения, кВт
Алюминий	12,7		1,02
Нержавеющая сталь	6,3		1,02
Фанера	25,4		1,52
Стекло	9,5		1,02
Бетон	38,1		6,30

В импульсном режиме работы лазеров, в особенности в режиме модуляции добротности, возникают большие импульсные значения плотности мощности излучения и напряжения электрического поля. При этом большую роль играет ударная волна, возникающая вследствие взрывного расширения испаряющегося материала, давления излучения и электрострикционного эффекта, т.е. смещения частиц материала под действием электрического поля.

7.2. Основные закономерности поглощения лазерного излучения
живой тканью

При воздействии лазерного излучения на организм происходит большое число различных биологических реакций, идущих параллельно и приводящих часто к совершенно противоположным эффектам, что создаёт большие трудности при изучении этих реакций. Распад одних крупных молекул и синтез других, окисление продуктов обмена, изменение скорости реакции, нарушение привычной цепочки биологических процессов, сдвиги в кислотно-щелочном равновесии тканей и органов и многое другое составляют сущность биологического действия лазерного излучения.

Лазерное излучение является для живого организма непривычным раздражителем, не встречающемся в естественных условиях. Лазерное излучение вызывает в биологических тканях различные эффекты, главным из которых являются термический, ударный и электрострикционный.

Термический эффект вызывается поглощением лазерного излучения облучаемой тканью. Каждое из веществ, составляющих организм: белки, ферменты, гормоны, пигменты – имеет свои, только ему присущие характеристики поглощения излучения. Поэтому лазерное излучение действует по разному на различные ткани и органы человека. Максимальному разрушению подвергаются ткани, содержащие красящее вещество – меланин. Лишённые этого пигмента ткани разрушаются в меньшей степени.

Из всех компонентов клетки наиболее чувствительны к термическому действию лазерного излучения. Они разрушаются первыми. При этом нарушаются все биохимические реакции, протекающие в клетке, и клетка гибнет.

Электрическое поле лазерного излучения большой мощности приводит к образованию в тканях свободных радикалов, т.е. молекул, содержащих не спаренный электрон. Свободные радикалы обладают большой химической активностью; они входят в состав ферментов, ускоряющих обменные процессы в организме. Накопление большого количества свободных радикалов в тканях организма является одной из причин ухудшения состояния здоровья человека, подвергшегося лазерному облучению. Предполагают, что свободные радикалы являются причиной изменения наследственности (мутации).

При воздействии на ткани организма излучения большой мощности наблюдалось изменение состава крови подопытных животных. Изменяется артериальное давление, причём интенсивность и стойкость таких изменений зависят, в частности, от состояния центральной нервной системы. Известны случаи изменения поведения животных. После облучения они становились возбуждёнными и агрессивными.

Наблюдения за состоянием здоровья лиц, работающих с лазерами, показали, что их излучение вызывает различные, функциональные нарушения в организме в первую очередь в нервной системе и сердечно-сосудистой системе. Это проявляется в изменении артериального давления, появлении раздражительности, повышенной потливости, появлении головной боли, повышенной утомляемости, боли в глазах, неспокойного сна. Канцерогенного действия лазерного излучения не обнаружено.

В зависимости от режима работы лазера в каждом конкретном случае преобладает тот или иной эффект.

При действии на ткани излучения лазеров в непрерывном режиме преобладает термический эффект. Другие эффекты существенного значения не имеют.

При работе лазеров в импульсном режиме (режиме свободной генерации) преобладает тот же термический эффект. За время импульса тепло из очага поражения не успевает передаться в соседние ткани. Поэтому поражение носит взрывной характер с быстрым повышением температуры и кипением жидкой фазы клеточных элементов. Границы очага поражения при этом резко очерчены.

При воздействии излучения лазеров, работающих в режиме модуляции добротности, существенную роль начинают играть значительные перепады давления и возникающие при этом ударные волны.

Лазерное излучение может поражать различные органы человека, однако наиболее, уязвимыми являются незащищённые части тела – глаза и кожа. Рассмотрим воздействие лазерного излучения на эти части тела более подробно.

Глаза являются наиболее, уязвимым органом человека, так как обладают способностью фокусировать лазерное излучение.

Излучение ультрафиолетового диапазона (6-380 нм) интенсивно поглощается роговицей и хрусталиком глаза и до сетчатки не доходит. Поэтому поражение глаз мощным ультрафиолетовым излучением носит характер поверхностных ожогов. При этом обычно поражаются роговица и конъюктива, поглощение основную часть энергии ультрафиолетового излучения. В результате поражения возникает воспалительный процесс (фотокератоконъюктивит), сопровождающийся сильным жжением в глазах. Примером фотокератоконъюктивита является «снежная слепота», возникающая вследствие пребывания на снегу в высокогорье баз защитных очков. В этом случае поражающим фактором является сильное ультрафиолетовое излучение Солнца.

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.

При длине волны излучения менее 320 нм практически вся энергия поглощается в роговице. При длине волны 320-400 нм часть энергии проникает в хрусталик и может вызывать в нём нежелательные изменения. Например, излучение с длиной волны 360 нм может возбуждать в хрусталике флуорисценцию, вызывая при этом диффузное помутнение, способное понижать остроту зрения и приводить к некоторому утомлению глаз.

Излучение видимого диапазона свободно проходит через оптические ткани глаза (роговицу, хрусталик, стекловидное тело) и фокусируется на поверхности сетчатки. При этом за счёт фокусировки плотность потока мощности на сетчатке может быть на 4-5 порядков выше, чем на роговице глаза. Поэтому диапазон видимого света является наиболее опасным для глаз 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 излучения на сетчатке более 2 Дж/см² (при импульсной работе) происходит ожог сетчатки. Пораженный участок имеет при этом вид маленького белого пятна с пигментированным ободком; чувствительность поражённого места к свету полностью утрачивается. Степень потери зрения глазом зависит от места расположения ожога. Если ожог произошёл в периферической части сетчатки, степень потери зрения невелика; при ожоге центральной ямки потеря зрения достигает 70-90%.

Энергия лазерного луча, попадающая в глаз, зависти от мощности лазера, размера лазерного пучка и диаметра зрачка глаза. В зависимости от освещенности окружающих предметов 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 затемнённых помещениях (в них диаметр зрачка увеличивается).

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 сетчаткой глаза уменьшается с ростом длины волны. В диапазоне 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 её термическому ожогу, который происходит при плотности энергии излучения, превышающей 4 Дж/см² . Тепло выделяющееся при нагревании радужной оболочки, передаётся 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 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.

Для длины волны 10,6 мкм (лазер на углекислом газе) около 70% энергии излучения поглощается слёзной жидкостью, остальные 30% полностью поглощаются слоем роговицы толщиной 35 мкм.