Вплив лазерного випромінювання

Введення

Використання лазерних приладів пов'язане з певною небезпекою для людини. У даній роботі будуть розглянуті тільки особливості конструювання і практичного застосування лазерних приладів, пов'язані з можливістю ураження очей і шкірних покривів людини. При цьому основними нормативними документами є: 825-я публікація Міжнародної технічної комісії (МЕК) під назвою "Радіаційна безпека лазерних виробів, класифікація обладнання, вимоги і керівництво для споживачів" як найбільш компетентна рекомендація світового класу; новітня вітчизняна розробка СНиП; ГОСТи.

1. Фізіологічні ефекти при дії лазерного випромінювання на людину

Безпосередньо на людину робить лазерне випромінювання будь-якої довжини хвилі; проте у зв'язку із спектральними особливостями ураження органів та суттєво різними гранично допустимими дозами опромінення звичайно розрізняють дію на очі і шкірні покриви людини.

1.1 Вплив лазерного випромінювання на органи зору

Основне шкідливий вплив лазерне випромінювання робить на сітківку ока, причому кришталик (і очне яблуко), діючи як додаткова фокусуються оптика, істотно підвищує концентрацію енергії на сітківці.

Діапазон довжин хвиль шкідливого впливу на сітківку ока від 0.4 до 1.4 мкм.

1.1.1 МДУ прямого випромінювання сітківки

Основний вплив при імпульсному впливі надає теплове руйнування сітківці, при тривалому вплив випромінювання на сітківку ока призводить в основному до фотохімічним процесам її руйнування.

Норми щільності енергії для імпульсного впливу на сітківку ока [Дж/м 2]:

dt [мс] & [мкм] 0.4-0.7 1.05-1.4

<2E-5 5E-3

2E-5 .. 5E-5 5E-2

> 2E-5 18 * dt ^ 0.75

> 5E-5 90 * dt ^ 0.75

При наявності послідовності імпульсів не тільки ні один з них, але і усереднена опромінення не повинні перевищувати МДУ. При усередненні впливу послідовності імпульсів з тривалістю dt <10 мкс і частотою повторення f> 1 Гц МДУ одиночного імпульсу повинен бути зменшений у C5 раз:

C5 = 1/sqrt (f) при 1 278 Гц.

Якщо тривалість окремих імпульсів dt в послідовності перевищує 10 мкс, то для тривалістю Ndt за обмеження опроміненого беруть 1/N частину МДУ

У серіях до 10-ти імпульсів беруть тривалість імпульсу рівним тривалості серії і счетают як у попередньому пункті.

1.1.2 МДУ для зовнішніх покривів очей людини.

Невидиме УФ-(0.2 .. 0.4мкм) або ІЧ-випромінювання (1.4 .. 1000мкм) практично не доходять до сітківки і тому може пошкоджувати лише зовнішні частини очі людини

1.1.3 Представлення МДУ опромінення як поверхні в координатах - t

У 825-й публікації МЕК визначені МДУ опромінення рогової оболонки ока людини прямим (тобто спрямованим) лазерним випромінюванням.

1.1.4 МДУ опромінення очей розсіяним лазерним випромінюванням.

На практиці найбільш ймовірно розсіяне лазерне випромінювання. У цьому випадку дуже важливо при визначенні МДУ опромінення перенорміровать щільність випромінювання в діапазоні 0.4 <<1.4 мкм. Що досягає сітківки, вражаючи її. Ця перенормування пов'язана з тим, що характер і розмір ураження сітківки змінюються у зв'язку з різким збільшенням зони опромінення - від 0.01 мм., тобто уг-ловой розмір становить 1 'до a = 0.015 ... 0.24 рад.

1.2 МДУ лазерного опромінення шкірних покривів

МДУ лазерного випромінювання для шкірних покривів людини визначається за рекомендаціями МЕК, і вони дещо відрізняються від значень, розглянутих раніше для очей в області видимого та ближнього ІЧ-випромінювання (<1.4 мкм.)

Для визначення МДУ для очей і для шкірних покривів користуються таблицями, створеними за рекомендацією МЕК.

2. Вимоги до виготівникам лазерних приладів у зв'язку із забезпеченням безпеки користувачів

МЕК рекомендує у зв'язку з уніфікацією вимог до конструкцій лазерних приладів розділяти ці прилади на чотири класи з точки зору небезпеки лазерного випромінювання для користувачів.

2.1 Лазерні випромінювачі класу 1

Найбільш безпечними як за своєю природою, так і за конструктивним виконанням є прилади класу 1. Допустимі межі випромінювання (ДПІ) лазерних приладів класу 1 в спектральної області від 0.4 до 1.4 мкм, наведені в таблиці

3. Техніко-гігієнічна оцінка лазерних виробів у Росії.

До системи документів, що встановлюють єдину систему забезпечення лазерної безпеки, входять: технічні засоби зниження небезпечних і шкідливих виробничих факторів, організаційні заходи, контроль умов праці на лазерних установках.

До небезпечних і шкідливих виробничих факторів відносяться:

- лазерне випромінювання (пряме розсіяне, пряме, відбите);

- світлове випромінювання (УФ, видима, ІЧ) від джерел накачування або кварцових газорозрядних трубок, а також від плазмових факелів і матеріалів мішені;

- шум і вібрації;

- іонізуючі і рентгенівське випромінювання (анодом при напрузі більше 5 КВ);

- продукти взаімодествія ЧИ і мішеней;

- висока напруга в ланцюгах харчування;

- ВЧ-та НВЧ-поля від генераторів накачування;

- нагріті поверхні;

- токсичні та агресивні речовини, що використовуються в конструкції лазера;

- небезпека вибухів і пожеж.

Всі чинники нормуються відповідними ГОСТами.

3.1. Класи небезпеки лазерного випромінювання по СНиП 5804-91.

Найбільш небезпечно лазерне випромінювання з довжиною хвилі: 0.38 -

1.40 мкм. - Для сітківки ока; 0.18 - 0.38 мкм. і понад 1.40 мкм. - Для передніх середовищ ока; 0.18 - 100 мкм. (тобто у всьому діапазоні) - для шкіри.

При конструюванні лазерних установок керуються прінцип виключення впливу ЧИ на людини.

За ступенем небезпеки ЧИ ділиться на 4 класи:

1 клас - повністю безпечне ЧИ;

2 клас - ЧИ становить небезпеку для шкіри і очей при опроміненні коллімірованним пучком, але безпечно при дифузному опроміненні;

3 клас - ЧИ видимого діапазону небезпечно для очей (коллімірованное і дифузне випромінювання на відстані менше 10 см. від поверхні, що відбиває) і шкіри (коллімірованний пучок);

4 клас - дифузно відбите ЧИ небезпечно для шкіри і очей на відстані менше 10 см.

3.2. Гігієнічне нормування ЧИ.

Для кождого режиму роботи лазера і спектрального діапазону рекомендуються відповідні гранично допустимі рівні (ПДУ) для енергії (W) і потужності (P) випромінювання, що пройшов обмежує апертуру d = 7 мм. для видимого діапазону або d = 1.1 мм. для інших, енергетичної експозиції (H) і опромінення (E), усереднених по обмежує апертурі:

H = W/Sa, E = P/Sa,

де Sa - обмежує апертура.

Хронічні ПДУ в 5 - 10 разів нижче ПДУ одноразового воздействія.Прі одночасному впливі ЧИ різного діапазону їх дія підсумовується з множенням на відповідний енерго-вклад.

Лазерне випромінювання характеризується деякими особливостями:

1 - широкий спектральний (& = 0.2 .. 1 мкм) і динамічний (120 .. 200 дБ);

2 - мала тривалість імпульсів (до 0.1 нс);

3 - висока щільність потужності (до 1e +9 Вт/см ^ 2) енергії;

1. Вимірювання енергетичних параметрів і характеристик лазерного випромінювання

1.1 Вимірювання потужності та енергії лазерного випромінювання.

Енергія [Дж] - енергія, що переноситься лазерним випромінюванням - W Потужність [Вт] - енергія, переносима лазерним випромінюванням

в одиницю часу - P

Засоби вимірювання містять:

1) Піп - приймач (первинний) вимірювальний перетворювач

2) Вимірювальний пристрій

3) регулює або відліковий пристрій

У Піп енергія перетворюється на теплову чи механічну або в електричний сигнал

Піп діляться на два типи: що поглинає і прохідного

У Піп поглинаючого типу, вступаючи на вхід енергія лазерного випромінювання майже повністю поглинається і розсіюється в ньому.

У Піп проходить типу розсіюється лише надійшла на вхід енергії випромінювання, а більша частина випромінювання проходить через перетворювач і може бути використана для необхідних цілей.

Вимірювальний пристрій включає перетворюючі елементи і вимірювальну ланцюг. Їх призначення - перетворення вихходного сигналу Піп в сигнал, що подається на відліковий пристрій.

відліковий або реєструючий пристрій служить для зчитування або реєстрації значення вимірюваної величини.

1.1.1 Тепловий метод

Суть методу полягає в тому, що енергія випромінювання при взаємодії з речовиною Піп перетворюється на теплову енергію, яка згодом вимірюється.

Для вимірювання теплової енергії, що виділяється в піп, зазвичай використовують:

-термоелектричний ефект Зеєбека (виникнення теплової ЕРС між нагрітими і холодними спаянимі провідниками з двох різних металів або провідників);

-боллометріческій ефект (явище зміни опору металу або напівпровідника при зміні температури);

-фазові переходи "тверде тіло-рідина" (лід-вода);

-ефект лінійного або об'ємно розширення речовин при нагріванні;

Необхідно відзначити, що всі теплові Піп в принципі є калориметрії.

Позитивні калориферів відносяться:

-широкий спектральний і динамічний діапазон роботи;

-висока лінійність, точність, стабільність характеристик;

-простота конструкції;

Тепловий потік: Ф = Gt (Tk-To), де Gt - теплова провідність; Rt/1 = 1/Gt - тепловий опір.

Рівняння теплового рівноваги має вигляд: dT (t) T (t)

P (t) = C *----- + ----, де P (t) - потужність, розсіює в dT Rt

калориметр; C - теплоємність;

T = Tk-To

Якщо в Піп чутливим елементом є термометричні опір, яке безпосередньо сприймає оптичне випромінювання і в ньому присутній приймальний елемент, то такий Піп називається болометром.

Принцип роботи піроелектричні Піп заснований на використанні піроелектричні ефекту, що спостерігається в ряду нецентросімметрічних кристалів при їх опроміненні і проявляється у виникненні зарядів на гранях кристала перпендикулярних особливою полярної осі. Якщо виготовити невеликий конденсатор і між його обкладками помістити Піроелектрики, то зміни температури, обумовлене поглинанням випромінювання, будуть проявлятися у вигляді зміни заряду цього конденсатора і можуть бути зареєстровані.

Вихідний сигнал піроелектричні Піп пропорційний швидкості зміни середнього приросту температури (d T/dt) чутливого елемента. Наслідком цього є висока швидкодія піропріемніков (до 1E-c), а також їх чутливість, великий динамічний діапазон; широкий спектральний діапазон (0.4 .. 10.6 мкм). Конструктивно чутливий елемент піропріемніка НЕ відрізняється від калометріческіх піп, за виключення самого чутливого елемента, виконаного з Піроелектрики.

У промисловості найбільшого поширення набули приймачі на основі титану барію, на основі кераміки цирконату - титанат барію.

1.1.2 Фотоелектричний метод

Заснований на переході носіїв заряду під дією фотонів вимірюваного випромінювання на більш високі енергетичні рівні.

Як Піп використовують фотоприймачі (ФП), які поділяються на 2-е групи: з зовнішнім і внутрішнім фотоефектів. Зовнішній полягає в вибиванні фотоном електрона з металу, що перебуває у вакуумі, внутрішній - у переході електронів з зв'язує стану під дією фотонів у вільний тобто в збуджений стан усередині матеріалів. В обох випадках перехід відбувається при поглинанні речовиною окремих квантів випромінювання, тому ФП є квантовими перетворювачами. Вихідний електричний сигнал ФП залежить не від потужності падаючого випромінювання, а від кількості квантів випромінювання та енергії кожного кванта.

Загальна вираз перетворення вхідного оптичного сигналу у вихідний електричний сигнал:

I-Iфп + IТ = S P + IТ

Де I - повний струм, що протікає через фотоприймач [A] Iфп - струм через фотоприймач, викликаний падаючим по-

струмом випромінювання [A]

IТ - темнової ток [A]

S - абсолютна спектральна чутливість [A/Вт] P - потужність падаючого на ФП випромінювання [Вт]

Фотоприймачі з зовнішнім фотоефектів

Енергія фото EDS, іспущенних з поверхні катода під дією Е/М випромінювання:

W = hv-w

де w - постійна, що залежить від природи матеріалу фотокатода.

випускання e відбувається лише при hv> w = hv, де v - гранична частота, наже якої фотоефект неможливий.

Довжину хвилі & = C/v називають кордоном фотоефекту.

До ФП на основі зовнішнього фотоефекту відносяться вакуумні прилади: фотоелементи (ФЭ) і фотопомножувач (ФЕУ).

S & = Qеф * &/1.24, де Qеф - ефективний квантовий вихід. Шуми та шумові струми ФЭ порівняно невеликі, проте

через низьку чутливості ФЭ недоцільно застосовувати їх для вимірювання малих рівнів сигналів.

ФЕУ володіють високою чутливістю завдяки наявності помножувальні (дінодной) системи.

m

Коефіцієнт посилення ФЕУ: M = П,

i = 1

Де - коефіцієнт вторинної емісії i-го дінода

- коефіцієнт збору електронів m - число каскадів підсилення.

S = S * M, де S - абсолютна спектральна чутливість фотокатода.

Чутливість ФЕУ може досягати ~ 1E А/Вт в max спектральної характеристики.

фотоперетворювачів на основі внутрішнього фотоефекту

До них відносяться фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори. Дія ФР засновано на явищі фотопровідності, заклю-

чающееся у виникненні вільних носіїв заряду в деяких п/п і діелектриках при падінні на них оптичного випромінювань-ня. Фотопровідність призводить до зменшення електричного опору, і відповідно, до збільшення струму, що протікає через ф/р.

U &

S = e * V * Q --- * ----

e 1.24

де e - заряд електрона

V - обсяг освітленій частині п/п

Q - квантовий вихід внутрішнього фотоефекту

- рухливість носіїв

U - напруга, прикладена до ФР

Дія кремнієвих і германієвих ФД: виникнення під дією випромінювання неосновних носіїв, які дифундують через pn перехід і послаблюють електричне поле останнього, що призводить до зміни електричок струму в ланцюзі. Фотоструму залежить від інтенсивності падаючого випромінювання. Для вимірювання енергетичних параметрів лазерного випромінювання зазвичай використовують фотодіодний режим (з харчуванням).

S = т * * Q * & (1-p)/1.24 де т - коефіцієнт пропускання вікна приладу; - коефіцієнт збирання носіїв; Q - квантовий вихід; & - довжина хвилі випромінювання; p - коефіцієнт відбиття.

Темнова струми у кремнієвих фотодіодів приблизно на порядок нижче, ніж у германієвих і досягають 1E-5 .. 1E-7 A.

Для вимірювання відносно великих рівнів потужності та енергії доцільно застосовувати Піп з невисокою чутливістю, тобто ФЭ. Для вимірювання середніх рівнів енергетичних параметрів лазерного випромінювання можна застосовувати як вакуумні прилади так і п/п.

фотодіоди поступаються по чутливості ФЕУ, однак ФД володіють низьким рівнем шуму.

Переваги ФД порівняно з ФЕУ:

- невеликі габарити

- низьковольтне харчування

- висока надійність

- механічна міцність

- більш висока стабільність чутливості

- низький рівень шумів

Недоліки:

- менша швидкодія

- сильний вплив температури на параметри і характеристики приладу.

1.1.3 Пондеромоторний метод

У пондеромоторних вимірниках енергії та потужності лазерного використовується ефект П.М. Лебедєва. Лазерне випромінювання падає на тонку приймальню платівку і тисне на неї. Тиск (сила) вимірюється чутливим перетворювачем.

Класичний прилад для вимірювання малих сил - крутильні ваги. При попаданні оптичного випромінювання на приймальний крило рухома система відхиляється від положення рівноваги на деякий кут, за величиною якої можна судити про значення потужності або енергії.

Значення кута __ при впливі на неї безперервного випромінювання потужністю P:

де p - коефіцієнт відбиття пластини

т - коефіцієнт пропускання вхідного вікна камера

- кут падіння випромінювання на платівку

C - швидкість світла

K - жорсткість підвісу

де W - енергія випромінювання

J - момент інерції обертається системи

Для відліку кута повороту крутильних ваг часто використовують ємнісний перетворювач. У цьому випадку пластина противаги є однієї із пластин конденсатора, що включається до резонансний контур генератора. При повороті рухомої системи ємність конденсатора змінює?? я, змінюється частота генерації, що вимірюється частотним детектором. Така конструкція громіздка, хоча і дуже чутлива.

Інший спосіб реалізації високочутливої системи відліку є схема з 2-ма ф/р. При відхиленні системи, освітленість ф/р міняється, міст розбалансує і в його вимірювальної діагоналі з'являється струм, пропорційний куту відхилення, який реєструє mA.

Крім крутильних ваги для вимірювання широко використовується Mehanotron, які являють собою електровакуумний прилад з механічно керованої електродами. При дії зовнішнього механічного сигналу в Механотрон відбувається переміщення рухомих електронів, що викликає відповідну зміну анодного струму.

Переваги і недоліки методів:

Переваги теплового методу:

1) широкий спектр і динамічний діапазон вимірів

2) простота і надійність вимірювальних засобів

3) висока точність

Недоліки:

1) мале швидкодію і чутливість

Переваги ф/е методу:

1) максимальна чутливість і швидкодію

Недоліки:

1) порівняно вузьке спектральний діапазон

2) велика похибка вимірювання (5 .. 30%) у порівнянні з тепловими приладами.

Переваги пондеромоторного методу:

1) високий верхню межу вимірюваної енергії та потужності

2) висока точність вимірів

Недоліки:

1) жорсткі вимоги до умов експлуатації (вібрації)

1.2 Вимір основних параметрів імпульсу лазерного випромінювання

Ряд активних середовищ працюють в імпульсних режимах створення:

1) це лазери на самообмеження переходах - азотний лазер, що генерує в УФ діапазоні, і лазер на парах Cu, що дає потужні імпульси зеленого кольору

2) рубінові лазери

В результаті виникає завдання: виміряти основні параметри генерації імпульсних лазерів. Розділяють вимірювання часових і енергетичних параметрів.

Вимірювання енергії імпульсу проводиться зазвичай за допомогою ф/е приймача з високим тимчасовим дозволом.

1.2.1 Аналіз параметрів імпульсу з допомогою осцилографа

Для вимірювання форми імпульсу і його часових параметрів (тривалості т, tнар і tспада) використовують швидкодіючі фотоприймачі з високою лінійністю світлової характеристики. Це коаксіальні ф/е серії ФЕК: їх тимчасовий дозвіл 1e-9 .. 1e-10 с.

Для вимірювання форми імпульсу використовують звичайні універсальні осцилографи з статевої пропускання до 1e7 Гц, і спеціальні надкороткі осцилографи.

1.2.2 Вивчення форми надкоротких лазерних імпульсів

Використовують непрямі методи, засновані на застосуванні тимчасової розгортки, яка використовується у оптико-електронних осцилографах. Використання оптико-механічного розгорнення не дозволяє наскільки або завгодно поліпшити тимчасовий дозвіл, але дозволяє здійснити набір двовимірних або одновимірних зображень.

ЕОПи з розгорткою зазвичай використовують для дослідження тільки тимчасових залежностей інтенсивності сфокусованого пучка випромінювання (тому що частота зміни кадрів набагато нижче, що ускладнює дослідження динаміки процесу генерації).

Однак складність, висока вартість, громіздкість і необхідність висококваліфікованого обслуговування ускладнює використання камер з оптико-механічного та електронної. Тому використовую часто оптичний метод вимірювання тривалості імпульсу.

"Світлова" розгортка була запропонована в 1967 р. Джордмейном при вивченні тривалості "nс" імпульсів при поширенні двох однакових світлових пучків назустріч один одному в розчині нелінійно люмінесцирує барвника.

У першому експерименті "стояча" хвиля утворювалася шляхом відображення основного пучка "nс" імпульсів у дзеркалі кювети з барвником. Біля дзеркала (і далі з кроком l = TC/n) щільність енергії прямого і відбитого пучка буде max через збіги i-го імпульсу. Ліворуч від дзеркала на l будуть збігатися (i-1)-й імпульс у прямій хвилі і (i +1)-й імпульс - в відбитої. При видаленні від дзеркала на 2l двуфотонная люмінесценція барвника буде яскравішим через накладення (i-2) та (i +2)-го імпульсів променя. Яскравість фонового світіння 2-х фотонній люмінесценції B ~ I ^ 2 інтенсивності, а max яскравості біля дзеркала: B ~ (2 * I) ^ 2 = 4 * Ш ^ 2, тобто помітно вище.

1.3 Вимірювання просторового розподілу енергії в лазерному пучку

Найбільш повна просторово-енергетична характеристика лазерного випромінювання є діаграма спрямованості, тобто кутове розподіл енергії або потужності в лазерному

пучку. Практічекій інтерес представляє розподіл поля випромінювання в дальній зоні, коли форма розподілу перестає залежати від відстані, що перевищує d ^ 2/&, де d - діаметр випромінюючої апертури лазера.

На практиці використовують два поняття розбіжність, у першому випадку мають на увазі плоский або тілесний кут Q або Qs визначає ширину діаграми спрямованості в далекій зоні за заданим рівнем кутового розподілу енергії або потужності, віднесених до його max значенням. Найчастіше значення рівня приймається рівним 0.5 і 1/e ^ 2. Це визначення характеризує випромінювання одномодового лазера, тобто розподіл, близьке до гауссових. У разі багатомодового режиму діаграма має численні бічні пелюстки, що містять значну частину енергії. Тому величина розбіжність по заданим рівнем енергії чи потужності, тобто по суті центрального max розподіл не дуже показова. У таких випадках більш зручною характеристикою є енергетична розбіжність лазерного випромінювання. (Qn, p або Qw, s), тобто плоский або тілесний кут, усередині якого поширюється задана частка енергії випромінювань-ня.

Лазерне випромінювання характеризується значенням діаметра пучка лазерного випромінювання, всередині якого відбувається задана частка енергії або потужності.

Для практичного визначення розбіжність використовують три основні методи:

1) Метод 2-х перетинів

2) Метод реєстрації діаграми спрямованості

3) Метод фокальної плями

Найбільш поширений метод вимірювання розбіжність пучка - метод фокальної плями.

1.4 Вимір поляризації лазерного пучка.

У лазерах випромінювання повинно мати 100% поляризацією (лінійної або кругової). Вид поляризації визначається особливостями використовуваної в лазері активною середовища - поляризацією її спонтанного випромінювання, і величиною коефіцієнта підсилення для елементарних поляризацій.

Все "елементарні" стану поляризації можуть бути отримані з 2-х лінійно поляризованих у взаємно - площинах випромінювань за амплітудою Ax та Ay.

2. Вимірювання спектральних і кореляційних параметрів і характеристик лазерного випромінювання.

Когерентність характеризується двома основними параметрами

- тимчасової когерентністю

- ступенем просторової когерентності

2.1 Вплив параметрів лазера на когерентність його випромінювання

Лазер - прилад, в якому частота генерації залежить від власних (резонансних) частот резонатора. До вторинних ефектів, що змінює частоту генерації лазера роблять ефекти затягування або відштовхування. Набагато сильніше на частоту генерації лазера впливають параметри активного середовища: центральна частота лазерного переходу, ширина спектральної лінії.

Вимірювання лазерних характеристик може бути розділено на 3 групи:

1) Вимірювання спектру випромінювання багатомодових лазерів безперервної дії і "nc" лазерів

2) Прецезіонное вимірювання довжини хвилі або чатоти генерації

3) Вимірювання ширини смуги генерації одночастотне лазера або різниці частот генерації 2-х однотипних частотностабілізірованних лазерів.

3. Вимірювання основних параметрів головних компонентів лазера

Головні компоненти лазера: активне середовище і оптичний резонатор. Активна середу, перетворююча енергію накачування в когерентне випромінювання, визначає енергетичні характеристики лазера і довжину хвилі випромінювання, а від резонатора -- частотні і просторові.

Для вимірювання втрат або посилення лазерних компонентів використовують компенсаційний метод, для вимірювання ненасиченого підсилення - метод комбінованих втрат, прямий метод.