Введение
Использование лазерных приборов связано с определенной опасностью для человека. В данной работе будут рассмотрены только особенности конструирования и практического применения лазерных приборов, связанные с возможностью поражения глаз и кожных покровов человека. При этом основополагающими нормативными документами являются: 825-я публикация Международной технической комиссии (МЭК) под названием "Радиационная безопасность лазерных изделий, классификация оборудования, требования и руководство для потребителей" как наиболее компетентная рекомендация мирового класса; новейшая отечественная разработка СНиП; ГОСТы.
Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека Непосредственно на человека оказывает лазерное излучение любой длины волны; однако в связи со спектральными особенностями поражения органов и существенно различными предельно допустимыми дозами облучения обычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека.
Воздействие лазерного излучения на органы зрения Основное вредное воздействие лазерное излучение оказывает на сетчатку глаза, причем хрусталик (и глазное яблоко) , действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышает концентрацию энергии на сетчатке.
Диапазон длин волн вредного воздействия на сетчатку глаза от 0.4 до 1.4 мкм.
МДУ прямого облучения сетчатки
Основное воздействие при импульсном воздействии оказывает тепловое разрушение сетчатке, при длительном воздействии излучения на сетчатку глаза приводит в основном к фотохимическим процессам ее разрушения.
Нормы плотности энергии для импульсного воздействия на сетчатку глаза [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 наличии последовательности импульсов не только ни один из них, но и усредненная облученность не должны превышать МДУ.
При усреднении воздействия последовательности импульсов с длительностью dt<10 мкс и частотой повторения f>1 Гц МДУ одиночного импульса должен быть уменьшен в C5 раз: C5= 1/sqrt(f) при 1<f<278 Гц. C5=0.06 при f>278 Гц.
Если длительность отдельных импульсов dt в последовательности превышает 10 мкс, то для длительностью Ndt за ограничение облученности принимают 1/N часть МДУ В сериях до 10-ти импульсов принимают длительность импульса равным длительности серии и счетают как в предыдущем пункте.
МДУ для наружных покровов глаз человека
Невидимое УФ-(0.2.. 0.4мкм) или ИК-излучение (1.4.. 1000мкм) практически не доходят до сетчатки и поэтому может повреждать лишь наружные части глаза человека 1.1.3 Представление МДУ облучения как поверхности в координатах - t В 825-й публикации МЭК определены МДУ облучения роговой оболочки глаза человека прямым (т.е. направленным) лазерным излучением.
МДУ облучения глаз рассеянным лазерным излучением
На практике наиболее вероятно рассеянное лазерное излучение. В этом случае очень важно при определении МДУ облучения перенормировать плотность излучения в диапазоне 0.4< <1.4 мкм.
Достигающего сетчатки, поражая ее. Эта перенормировка связана с тем, что характер и размер поражения сетчатки изменяются в связи с резким увеличением зоны облучения - от 0.01 мм., т.е. угловой размер составляет 1' до a=0.015... 0.24 рад.
МДУ лазерного облучения кожных покровов
МДУ лазерного облучения для кожных покровов человека определяется по рекомендациям МЭК, и они несколько отличаются от значений, рассмотренных ранее для глаз в области видимого и ближнего ИК-излучения (<1.4 мкм.) Для определения МДУ для глаз и для кожных покровов пользуются таблицами, созданными по рекомендации МЭК.
Требования к изготовителям лазерных приборов в связи с обеспечением безопасности пользователей
МЭК рекомендует в связи с унификацией требований к конструкциям лазерных приборов разделять эти приборы на четыре класса с точки зрения опасности лазерного излучения для пользователей.
Лазерные излучатели класса 1
Наиболее безопасными как по своей природе, так и по конструктивному исполнению являются приборы класса 1.
Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий в России
В систему документов, устанавливающих единую систему обеспечения лазерной безопасности, входят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда на лазерных установках.
К опасным и вредным производственным факторам относятся: - лазерное излучение (прямое рассеянное, прямое, отраженное) ; световое излучение (УФ, видимое, ИК) от источников накачки или кварцевых газоразрядных трубок, а также от плазменных факелов и материалов мишени; - шум и вибрации; - ионизирующие и рентгеновское излучение (при анодом напряжении более 5 КВ) ; - продукты взаимодействия ЛИ и мишеней; - высокое напряжение в цепях питания; - ВЧ- и СВЧ-поля от генераторов накачки; - нагретые поверхности; - токсичные и агрессивные вещества, используемые в конструкции лазера; - опасность взрывов и пожаров.
Все факторы нормируются соответствующими ГОСТами.
Классы опасности лазерного излучения по СНиП 5804-91
Наиболее опасно лазерное излучение с длинной волны: 0.38 1.40 мкм. - для сетчатки глаза; 0.18 - 0.38 мкм. и свыше 1.40 мкм. - для передних сред глаза; 0.18 - 100 мкм. (т.е. во всем диапазоне) для кожи.
При конструировании лазерных установок руководствуются принципом исключения воздействия ЛИ на человека.
По степени опасности ЛИ делится на 4 класса: 1 класс полностью безопасное ЛИ; 2 класс - ЛИ представляет опасность для кожи и глаз при облучении коллимированным пучком, но безопасно при диффузном об лучении; 3 класс - ЛИ видимого диапазона опасно для глаз (коллимированное и диффузное излучение на расстоянии менее 10 см. от отражающей поверхности) и кожи (коллимированный пучок) ; - 5 4 класс - диффузно отраженное ЛИ опасно для кожи и глаз на расстоянии менее 10 см.
Гигиеническое нормирование ЛИ
Для каждого режима работы лазера и спектрального диапазона рекомендуются соответствующие предельно допустимые уровни (ПДУ) для энергии (W) и мощности (P) излучения, прошедшего ограничивающую апертуру d = 7 мм. для видимого диапазона или d = 1.1 мм. для остальных, энергетической экспозиции (H) и облученности (E) , усредненных по ограничивающей апертуре: H = W / Sa, E = P / Sa, где Sa - ограничивающая апертура.
Хронические ПДУ в 5 - 10 раз ниже ПДУ однократного воздействия. При одновременном воздействии ЛИ разного диапазона их действие суммируется с умножением на соответствующий энерго-вклад.
Лазерное излучение характеризуется некоторыми особенностями: 1 - широкий спектральный (&=0.2.. 1 мкм) и динамический (120.. 200 дБ) ; 2 - малая длительность импульсов (до 0.1 нс) ; 3 - высокая плотность мощности (до 1e+9 Вт/см^2) энергии; 1. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения 1.1 Измерение мощности и энергии лазерного излучения.
Энергия[Дж] - энергия, переносимая лазерным излучением - W Мощность [Вт] энергия, переносимая лазерным излучением в единицу времени - P Средства измерения содержат: 1) ПИП - приемник (первичный) измерительный преобразователь 2) Измерительное устройство 3) Регулирующее или отсчетное устройство В ПИП энергия преобразуется в тепловую или механическую или в электрический сигнал ПИП делятся на два типа: поглощающего и проходного В ПИП поглощающего типа, поступая на вход энергия лазерного излучения почти полностью поглощается и рассеивается в нем.
В ПИП проходящего типа рассеивается лишь поступившей на вход энергии излучения, а большая часть излучения проходит через преобразователь и может быть использована для требуемых целей.
Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и измерительную цепь. Их назначение - преобразование выходного сигнала ПИП в сигнал, подаваемый на отсчетное устройство.
Отсчетное или регистрирующее устройство служит для считывания или регистрации значения измеряемой величины.
Тепловой метод
Сущность метода состоит в том, что энергия излучения при взаимодействии с веществом ПИП превращается в тепловую энергию, которая впоследствии измеряется.
Для измерения тепловой энергии, выделяющейся в ПИП, обычно используют: -термоэлектрический эффект Зеебека (возникновение тепловой ЭДС между нагретыми и холодными спаянными проводниками из двух разных металлов или проводников) ; -боллометрический эффект (явлении изменения сопротивления металла или полупроводника при изменении температуры) ; -фазовые переходы "твердое тело-жидкость" (лед-вода) ; -эффект линейного или объемного расширения веществ при нагревании ; Необходимо отметить, что все тепловые ПИП в принципе являются калориметрами.
К достоинствам калориферов относятся: -широкий спектральный и динамический диапазон работы; -высокая линейность, точность, стабильность характеристик; -простота конструкции ; Тепловой поток: Ф=Gt (Tk -To) , где Gt тепловая проводимость; Rt/1=1/Gt тепловое сопротивление.
Уравнение теплового равновесия имеет вид: dT(t) T(t) P(t) =C*----- + ----, где P(t) мощность, рассеиваемая в dT Rt калориметре; C теплоемкость; T=Tk-To Если в ПИП чувствительным элементом является термометрическое сопротивление, которое непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем присутствует приемный элемент, то такой ПИП называется болометром.
Принцип работы пироэлектрических ПИП основан на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении зарядов на гранях кристалла перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленное поглощением излучения, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы.
Выходной сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры (d T/dt) чувствительного элемента. Следствием этого является высокое быстродействие пироприемников (до 1E- c) , а также их чувствительность, большой динамический диапазон; широкий спектральный диапазон (0.4.. 10.6 мкм) . Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от калометрических ПИП, за исключение самого чувствительного элемента, выполненного из пироэлектрика.
В промышленности наибольшее распространение получили приемники на основе титана бария, на основе керамики цирконат титанат бария.
Фотоэлектрический метод
Основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни.
В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП) , которые делятся на 2-е группы: с внешним и внутренним фотоэффектом.
Внешний заключается в выбивании фотоном электрона из металла, находящегося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из связывающего состояния под действием фотонов в свободное т.е.
в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями.
Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.
Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал: I-Iфп+Iт=S P+Iт Где I - полный ток, протекающий через фотоприемник [A] Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по током излучения [A] Iт - темновой ток [A] S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт] P - мощность падающего на ФП излучения [Вт] Фотоприемники с внешним фотоэффектом Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности катода под действием Э/М излучения: W=hv-w где w - постоянная, зависящая от природы материала фотокатода.
Испускание e происходит лишь при hv > w = hv, где v пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен.
Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта.
К ФП на основе внешнего фотоэффекта относятся вакуумные приборы: фотоэлементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ) .
S&=Qэф*&/1.24, где Qэф эффективный квантовый выход.
Шумы и шумовые токи ФЭ сравнительно невелики, однако из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно применять их для измерения малых уровней сигналов.
ФЭУ обладают высокой чувствительностью благодаря наличию умножительной (динодной) системы.
m Коэффициент усиления ФЭУ: M=П, i=1 Где - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода коэффициент сбора электронов m - число каскадов усиления.
S = S * M, где S - абсолютная спектральная чувствительность фотокатода.
Чувствительность ФЭУ может достигать ~1E А/Вт в max спектральной характеристике.
Фотопреобразователи на основе внутреннего фотоэффекта
К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.
Действие ФР основано на явлении фотопроводимости, заключающееся в возникновении свободных носителей заряда в некоторых п/п и диэлектриках при падении на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления, и соответственно, к увеличению тока, протекающего через ф/р.
U & S = e*V*Q --- * --- e 1.24 где e - заряд электрона V - объем освещенной части п/п Q - квантовый выход внутреннего фотоэффекта - подвижность носителей U напряжение, приложенное к ФР Действие кремниевых и германиевых ФД: возникновение под действием излучения неосновных носителей, которые диффундируют через p-n переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок зависит от интенсивности падающего излучения. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием) .
S =т* *Q*&(1-p) /1.24 где т коэффициент пропускания окна прибора; коэффициент собирания носителей; Q квантовый выход; & длина волны излучения; p - коэффициент отражения.
Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок ниже, чем у германиевых и достигают 1E-5.. 1E-7 A.
Для измерения относительно больших уровней мощности и энергии целесообразно применять ПИП с невысокой чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы так и п/п.
Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД обладают низким уровнем шума.
Преимущества ФД по сравнению с ФЭУ: - небольшие габариты - низковольтное питание - высокая надежность - механическая прочность - более высокая стабильность чувствительности - низкий уровень шумов Недостатки: - меньшее быстродействие - сильное влияние температуры на параметры и характеристики прибора.
Пондеромоторный метод
В пондеромоторных измерителях энергии и мощности лазерного используется эффект П. Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную пластинку и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем.
Классический прибор для измерения малых сил - крутильные весы. При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении мощности или энергии.
Значение угла __ при воздействии на нее непрерывного излучения мощностью P: где p - коэффициент отражения пластины т коэффициент пропускания входного окна камера - угол падения излучения на пластинку C - скорость света K - жесткость подвеса где W - энергия излучения J - момент инерции вращающейся системы Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостной преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора изменяется, меняется частота генерации, что измеряется частотным детектором. Такая конструкция громоздка, хотя и очень чувствительна.
Другой способ реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с 2-мя ф/р. При отклонении системы, освещенность ф/р меняется, мост разбалансируется и в его измерительной диагонали появляется ток, пропорционален углу отклонения, который регистрирует mA.
Помимо крутильных весов для измерения широко используется механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемой электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение подвижных электронов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.
Достоинства и недостатки методов: Достоинства теплового метода: 1) широкий спектр и динамический диапазон измерений 2) простота и надежность измерительных средств 3) высокая точность Недостатки: 1) малое быстродействие и чувствительность Достоинства ф/э метода: 1) максимальная чувствительность и быстродействие Недостатки: 1) сравнительно узкий спектральный диапазон 2) большая погрешность измерения (5.. 30%) по сравнению с тепловыми приборами.
Достоинства пондеромоторного метода: 1) высокий верхний предел измеряемой энергии и мощности 2) высокая точность измерений Недостатки: 1) жесткие требования к условиям эксплуатации (вибрации) 1.2 Измерение основных параметров импульса лазерного излучения Ряд активных сред работают в импульсных режимах генерации: 1) это лазеры на самоограниченных переходах - азотный лазер, генерирующий в УФ диапазоне, и лазер на парах Cu, дающий мощные импульсы зеленого цвета 2) рубиновые лазеры В результате возникает задача: измерить основные параметры генерации импульсных лазеров. Разделяют измерение временных и энергетических параметров.
Измерение энергии импульса проводится обычно с помощью ф/э приемника с высоким временным разрешением.
Анализ параметров импульса с помощью осциллографа
Для измерения формы импульса и его временных параметров (длительности т, tнар и tспада) используют быстродействующие фотоприемники с высокой линейностью световой характеристики.
Это коаксиальные ф/э серии ФЭК: их временное разрешение 1e-9.. 1e-10 с.
Для измерения формы импульса используют обычные универсальные осциллографы с половой пропускания до 1e7 Гц, и специальные сверхкороткие осциллографы.
Изучение формы сверхкоротких лазерных импульсов
Используют косвенные методы, основанные на применении временной развертки, используемой в оптико-электронных осциллографах. Использование оптико-механической развертки не позволяет сколь либо угодно улучшить временное разрешение, но позволяет осуществить набор двумерных или одномерных изображений.
ЭОПы с разверткой обычно используют для исследования только временных зависимостей интенсивности сфокусированного пучка излучения (т.к. частота смены кадров гораздо ниже, что затрудняет исследование динамики процесса генерации) .
Однако сложность, высокая стоимость, громоздкость и необходимость высококвалифицированного обслуживания затрудняет использование камер с оптико-механической и электронной. Поэтому использую часто оптический метод измерения длительности импульса.
"Световая" развертка была предложена в 1967 г. Джордмейном при изучении длительности "nс" импульсов при распространении двух одинаковых световых пучков навстречу друг другу в растворе нелинейно люминесцирующего красителя.
В первом эксперименте "стоячая" волна образовывалась путем отражения основного пучка "nс" импульсов в зеркале кюветы с красителем. Возле зеркала (и далее с шагом l=TC/n) плотность энергии прямого и отраженного пучка будет max из-за совпадения i-го импульса. Левее зеркала на l будут совпадать (i-1) -й импульс в прямой волне и (i+1) -й импульс - в отраженной. При удалении от зеркала на 2l двуфотонная люминесценция красителя будет ярче из-за наложения (i-2) и (i+2) -го импульсов луча. Яркость фонового свечения 2-х фотонной люминесценции B~I^2 интенсивности, а max яркости возле зеркала: B~(2*I) ^2=4*Ш^2, т.е. заметно выше.
Измерение пространственного распределения энергии в лазерном пучке
Наиболее полная пространственно-энергетическая характеристика лазерного излучения является диаграмма направленности, т.е. угловое распределение энергии или мощности в лазерном пучке. Практичекий интерес представляет распределение поля излучения в дальней зоне, когда форма распределения перестает зависеть от расстояния, превышающее d^2/&, где d - диаметр излучающей апертуры лазера.
На практике используют два понятия расходимости, в первом случае имеют ввиду плоский или телесный угол Q или Qs определяющий ширину диаграмму направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности, отнесенного к его max значению. Чаще всего значение уровня принимается равным 0.5 и 1/e^2. Это определение характеризует излучение одномодового лазера, т.е. распределение, близкое к гауссовому. В случае многомодового режима диаграмма имеет многочисленные боковые лепестки, содержащие значительную часть энергии. Поэтому величина расходимости по заданному уровню энергии или мощности, т.е. по существу центрального max распределение не очень показательна. В таких случаях более удобной характеристикой является энергетическая расходимость лазерного излучения. (Qn, p или Qw, s) , т.е. плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии излучения.
Лазерное излучение характеризуется значением диаметра пучка лазерного излучения, внутри которого происходит заданная доля энергии или мощности.
Для практического определения расходимости используют три основных метода: 1) Метод 2-х сечений 2) Метод регистрации диаграммы направленности 3) Метод фокального пятна Наиболее распространенный метод измерения расходимости пучка метод фокального пятна.
Измерение поляризации лазерного пучка
В лазерах излучение должно обладать 100% поляризацией (линейной или круговой) . Вид поляризации определяется особенностями используемой в лазере активной среды - поляризацией ее спонтанного излучения, и величиной коэффициента усиления для элементарных поляризаций.
Все "элементарные" состояния поляризации могут быть получены из 2-х линейно поляризованных во взаимно + плоскостях излучений с амплитудой Ax и Ay.
Измерение спектральных и корреляционных параметров и характеристик лазерного излучения
Когерентность характеризуется двумя основными параметрами - временной когерентностью - степенью пространственной когерентности 2.1 Влияние параметров лазера на когерентность его излучения Лазер - прибор, в котором частота генерации зависит от собственных (резонансных) частот резонатора. К вторичным эффектам, изменяющим частоту генерации лазера оказывают эффекты затягивания или отталкивания. Гораздо сильнее на частоту генерации лазера влияют параметры активной среды: центральная частота лазерного перехода, ширина спектральной линии.
Измерение лазерных характеристик может быть разделено на 3 группы: 1) Измерение спектра излучения многомодовых лазеров непрерывного действия и "nc" лазеров 2) Прецизионное измерение длины волны или чаcтоты генерации 3) Измерение ширины полосы генерации одночастотного лазера или разности частот генерации 2-х однотипных частотностабилизированных лазеров.
Измерение основных параметров главных компонентов лазера
Главные компоненты лазера: активная среда и оптический резонатор. Активная среда, преобразующая энергию накачки в когерентное излучение, определяет энергетические характеристики лазера и длину волны излучения, а от резонатора частотные и пространственные.
Для измерения потерь или усиления лазерных компонентов используют компенсационный метод, для измерения ненасыщенного усиления метод комбинированных потерь, прямой метод.