Лазерная безопасность

Когда лазеры только стали появляться в лабораториях, как сами приборы, так и их приложения были настолько специальными, что вопрос о безопасности работы с лазерными излучателями вставал перед весьма ограниченным кругом исследователей и инженеров и не был предметом общего обсуждения. Сейчас, когда использование лазеров в научных лабораториях и промышленных предприятиях стало обычным делом, а применение лазеров в повседневной жизни значительно расширилось, исследователи просто обязаны решить вопрос о безопасности работы с этими устройствами. Лазеры стали неотъемлемым компонентом многих современных методов оптической микроскопии, и, в составе сложных оптических систем, они могут представлять серьезную угрозу при несоблюдении мер безопасности.

Рис.1. Анатомия человеческого глаза

Две главных составляющих опасности при работе с лазерными источниками — это облучение лазерным лучом и поражение током, связанное с высокими напряжениями в самом лазере и в источнике питания. Хотя смертельные случаи в результате облучения лазерным лучом неизвестны, есть несколько примеров смертельных исходов при контакте с компонентами лазера под высоким напряжением. Лучи достаточно высокой мощности могут вызвать ожоги кожи или, в некоторых случаях, привести к возгоранию или повреждению каких-либо материалов, но главной опасностью лазерного луча является возможность повреждения глаз, как наиболее чувствительного к свету органа. Многими государственными и другими организациями разработаны стандарты безопасности при работе с лазерами; некоторые из них носят обязательный, а некоторые рекомендательный характер. Большинство требований стандартов безопасности, закрепленных законом, относится к производителям лазеров, хотя конечный потребитель должен быть больше всех заинтересован в безопасной работе — предупреждении возможных повреждений или даже смерти.

Вред глазу может быть нанесен мгновенно, поэтому, чтобы минимизировать риск, меры предосторожности необходимо принимать заранее, так как в последний момент может быть уже поздно. Лазерное излучение подобно солнечному свету в том смысле, что оно тоже падает на глаз параллельными лучами, которые очень эффективно фокусируются на сетчатке, внутренней оболочке глаза, чувствительной к свету. На рисунке 1 представлено общее анатомическое строение человеческого глаза, с выделением структур особенно чувствительных к интенсивному излучению. Потенциальная опасность для глаз зависит от длины волны лазерного излучения, интенсивности пучка, расстоянию от излучателя до глаза и мощности лазера (как среднего значения мощности при непрерывной генерации импульсов, так и пиковой мощности при импульсном излучении). Длина волны имеет очень большое значение, потому что только излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров может попасть в гла и значительно повредить сетчатку. Свет в ближнем УФ-диапазоне может повредить слои, близкие к поверхности глаза, и привести к развитию катаракты, особенно у молодых людей, глазная ткань которых более прозрачна для света этих длин волн. Свет ближней ИК-области также может повредить поверхность глаза, хотя и с более высоким порогом повреждения (лучевой стойкости), чем ультрафиолет.

Реакция человеческого глаза на разные длины волн не одинакова и это определяет, наряду с другими факторами, описанными ниже, потенциальный вред глазу. Воздействие импульсных лазеров отличается от воздействия лазеров с непрерывным излучением. На практике, лазеры, работающие в импульсном режиме, имеют большую мощность, и единичный микросекундный импульс достаточной мощности может нанести серьезное повреждение при попадании в глаз, тогда как менее мощное непрерывное излучение может повредить глаз только при длительном облучении. Спектральная область особой важности — это опасный для сетчатки диапазон, который располагается между 400 (фиолетовый цвет) и 1400 нанометрами (ближняя ИК-область спектра), включая всю видимую область спектра электромагнитного излучения. Опасность повреждения светом этих длин волн усиливается возможностью глазной фокусировки, когда направленный свет собирается глазом на сетчатке в очень маленькое пятно, с очень высокой концентрацией мощности на единицу площади.

Классификация лазеров

Среди множества стандартов безопасности, разработанных для работы с лазерами, как государственными, так и другими организациями, основополагающим в США являются стандарты Z136 серии, принятые Американским национальным институтом стандартизации (ANSI). Стандарты безопасной работы с лазерами ANSI Z136 являются основой технических правил, утвержденных Управлением охраны труда (OSHA) и используемых для оценки рисков при работе с лазерами. Кроме того, они являются отправной точкой для технических инструкций, принятых во многих штатах. Вся лазерная продукция, продаваемая в США с 1976 года, должна быть классифицирована согласно этим стандартам и сертифицирована как отвечающая требованиям безопасности для своего класса. Результаты исследований и накопленное с опытом понимание потенциальной угрозы солнечного света и других источников излучения привели к установлению номинальной безопасной дозы облучения для большинства типов лазерного излучения. Для упрощения процедур обеспечения безопасности в целях предотвращения несчастных случаев была разработана система категорий безопасности лазеров, основанная на установленном пределе допустимого облучения и опыте, приобретенном за годы использования лазеров. Производитель лазера обязан сертифицировать свою лазерную продукцию на соответствие требованиям одной из категорий или классов риска, и соответствующим образом маркировать излучатели. В приведенном ниже списке кратко описаны четыре основные категории лазеров. Необходимо подчеркнуть, что это изложение является кратким и не отражает полного списка требований к категориям лазеров по степени их опасности.

• Класс I Лазеры этого класса являются безопасными, согласно современным представлениям, при любом возможном излучении, при их конструкции. К маломощным устройствам (0.4 милливатт на длинах волн видимой области спектра), использующими лазеры этого класса, относятся лазерные принтеры, CD-плееры, оборудование для съемки. Не допускается, чтобы испускаемое ими излучение превышало предельно допустимый уровень воздействия на глаз. Более опасные лазеры могут быть включены в класс I, но никакое вредное излучение не должно проникать наружу во время работы устройства или его технического обслуживания (но не обязательно во время сервисного обслуживания или ремонта). Для использования лазеров этого класса не предусмотрено никаких особых мер безопасности.
• Класс IA — специальное обозначение лазеров, со специальной областью применения, когда попадание лазерного луча в глаза маловероятно, например лазерные сканеры в супермаркетах. Для них допустима большая, чем для лазеров класса I, мощность (не более 4 милливатт), но предел длительности излучения лазеров класса I не должен превышать 1000 секунд.
• Класс II — это маломощные лазеры, генерирующие видимое излучение. Яркость пучка должна быть такой, чтобы предупредить достаточно длительное облучение глаза и возможность повреждения сетчатки. Допустимая мощность излучения этих лазеров не превышает 1 милливатт, что ниже максимально допустимого предела облучения для мгновенного импульса в 0,25 секунд и менее. Считается, что естественный рефлекс моргания глаз на свет этой яркости должен защитить глаза, но любое намеренное наблюдение в течение длительного времени может нанести вред. К лазерам этого класса относятся демонстрационные лазеры в учебных комнатах, лазерные указки, различные дальномеры.
• Класс IIIA — это лазерные устройства с непрерывной генерацией импульсов излучения средней мощности (1–5 милливатт), которые применяются в тех же областях, что и лазеры класса II, включая сканеры и указки. Они считаются безопасными при мгновенном попадании в глаз лазерного излучения (в течение менее 0,25 секунд), но при этом прямое попадание излучения в глаз или наблюдение через увеличительную оптику не допускается.
• Класс IIIB — это лазеры средней мощности (непрерывная генерация излучения мощностью 5–500 милливатт, или 10 Дж на квадратный сантиметр в импульсных лазерах). Они небезопасны при прямом попадании в глаз или при зеркальном отражении. Специальные меры предосторожности описаны в стандартах безопасности для этого класса лазеров. Примерами этого типа лазеров являются спектральные приборы, конфокальные микроскопы, устройства для лазерных шоу.
• Класс IV — это лазеры высокой мощности, превышающей мощность устройств класса IIIB, которые требуют строжайшего контроля за соблюдением мер безопасности при их использовании. Как прямой, так и диффузно-рассеянный лучи этого лазера являются опасными для глаз и кожи и могут вызвать возгорание материала, на который они падают (зависит от материала). Большинство повреждений глаз вызвано отраженным светом лазеров класса IV, поэтому все отражающие поверхности должны быть убраны с пути луча, и необходимо носить в течении всего времени работы с этими лазерами соответствующие защитные очки. Лазеры этой категории применяются в хирургии, при выполнении операций резания, сверления, микрообработки и сварки.

Хотя сегодня стандарты ANSI Z136 классифицируют лазеры на классы от I до IV, скорее всего, при следующем пересмотре стандартов ANSI будет принята новая классификация безопасности лазеров, чтобы привести ее в большее соответствие с международными стандартами, например, с принятыми Международной электротехнической комиссией (IEC) и теми, которые уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Изменения в стандартах, главным образом, являются ответом на повсеместное распространение таких устройств, как лазерные указки и подобных им, которые обычно используются людьми, незнакомыми с лазерной безопасностью. В этих изменениях также попытаются учесть специальные характеристики источников с высокой расходимостью пучка, таких как лазерные диоды. Эти изменения незначительны, и, в целом, с учетом накопленных знаний и опыта, продолжают курс на ослабление консервативных стандартов, разработанных в 1970-х годах.

Рис.2. Характеристики пропускания глаза человека

Новая классификация сохраняет четыре основных класса лазеров от 1 до 4, но смягчает требования в классах 1, 2 и 3 и вводит в них специальные подкатегории: 1M, 2M и 3R. Вкратце, новые категории могут быть описаны следующим образом: класс 1M включает лазеры, неспособные нанести вред, за исключением случаев попадания в глаза через оптические приборы. Лазеры класса 2M излучают видимый свет и безопасны, если не смотреть на них через оптические приборы и если время попадания на глаз менее 0,25 секунды. Это то время, за которое естественная ответная реакция на яркий свет и рефлекс моргания защищают сетчатку от повреждений. В класс 3R включены лазеры, которые приближаются к категории опасных при прямом попадании в глаз лазерного излучения. Они могут иметь выходную мощность в пять раз большую, чем лазеры классов 1 и 2. При их эксплуатации должны быть приняты дополнительные меры для предотвращения прямого попадания излучения, особенно для невидимого спектра.

Потенциальная опасность поражения глаз

Примечательно, что общим предостережением для большинства категорий лазеров является запрет смотреть на лазерный луч через любую увеличительную оптику. Основная опасность, которую лазеры представляют для человеческого глаза, следует из того, что глаз сам по себе является высокоточным и эффективным фокусирующим оптическим устройством для света в определенном диапазоне. Объединение лазеров с оптикой микроскопов только увеличивает потенциальную опасность поражения глаз лазерным излучением. Обычно в оптических лабораториях находится много лазеров, как встроенных в другие системы, например, во флуоресцентные микроскопы, так и в качестве источников света, устанавливаемых на открытых оптических скамьях. Главной опасностью, исходящей от этих «открытых» лазеров, является возможность попадания в глаза рассеянных горизонтальных лучей на высоте стола, лучей, отраженных от плоскости стола, от оптических компонентов и внешних отражающих поверхностей, таких как ременные пряжки, часы, драгоценности и любые другие отражающие поверхности в помещении. Попадание на долю секунды даже малой дозы отраженного излучения может быть достаточным для повреждения глаз и временной потери зрения.

Вероятность повреждения различных структур глаза лазерным излучением зависит от типа этих структур. Будет ли повреждена роговица, хрусталик, или сетчатка зависит от характеристик поглощения различных глазных тканей, а также длины волны и интенсивности лазерного излучения. Длина волны излучения, попадающего на сетчатку, внутреннюю поверхность глаза, определяется суммарными характеристиками пропускания глаза. На рисунке 2 представлена зависимость пропускания глаза от длины волны излучения в соответствующем спектральном диапазоне. Сетчатка, хрусталик и стекловидное тело глаза пропускают электромагнитное излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров, называемом диапазоном глазной фокусировки. Свет этого диапазона фокусируется на сетчатке — чувствительной поверхности, откуда сигналы поступают в мозг по зрительному нерву. При взгляде прямо на точечный источник света (что именно и происходит при прямом попадании в глаза коллимированного пучка лазерных лучей), на сетчатке формируется фокусное пятно малой площади, с высокой плотностью энергии, что с большой вероятностью приводит к повреждению глаза. Мы подвергаем себя, в определенной степени, той же опасности, когда прямо смотрим на солнце, только в случае лазеров, она еще больше.

Оптическое усиление ненапряженного человеческого глаза при попадании коллимированного пучка лучей, которое выражается как отношение площади зрачка к площади (сфокусированного) изображения на сетчатке, составляет величину около 100000. Это соответствует увеличению облученности (плотности потока излучения) при прохождении света от роговицы до сетчатки в пять раз. С учетом аберрации в системе хрусталик-роговица и дифракции на радужной оболочке глаза, нормальный глаз способен фокусировать на сетчатке пятно размером 20 микрометров. Такая эффективность глаза приводит к тому, что даже маломощный лазерный луч, при попадании в глаза, может быть сфокусирован на сетчатке и почти мгновенно прожечь в ней отверстие, безнадежно повредив при этом зрительные нервы. Кажущаяся малая мощность лазеров может быть очень обманчива, учитывая опасную степень концентрации энергии излучения при фокусировке лучей пучка. В случае прямого попадания в глаза лазерного пучка мощностью 1 милливатт, облученность, сетчатки составляет 100 ватт на квадратный сантиметр. Для сравнения, плотность потока солнечных лучей, если смотреть прямо на солнце, равняется 10 ваттам на квадратный сантиметр.

На рисунке 3 сравниваются возможности глаза при фокусировании света от двух источников: света от протяженного источника, такого как обыкновенная матированная стеклянная лампа, и высококоллимированного лазерного луча, который очень близок к свету от точечного источника. Из-за различной природы источников света, плотность потока на сетчатке от сфокусированного лазерного луча мощностью 1 милливатт может быть в миллион раз больше, чем от обыкновенной 100-ваттной лампочки. Если предположить, что лазерный пучок с идеальным гауссовским распределением интенсивности излучения по поперечному сечению падает на свободный от аберрации глаз под прямым углом, то размер пятна, ограниченного дифракционным пределом, может составить всего 2 микрона. Для протяженного источника этот размер будет порядка нескольких сотен микрон. При этом плотность потока (интенсивность излучения) на сетчатке, как показано на рисунке 3, составляет приблизительно 10•(E8) и 10•(E2) ватт на квадратный сантиметр соответственно.

Может показаться, что прожженное на сетчатке пятно, даже размером 20 микрометров, не приведет к существенному ухудшению зрения, поскольку сетчатка содержит миллионы колбочек (зрительных клеток). Тем не менее, повреждения сетчатки обычно больше первоначального фокусного пятна благодаря вторичным термическим и акустическим эффектам; и в зависимости от расположения, даже совсем маленькое повреждение сетчатки может привести к значительному ухудшению зрения. В самом худшем случае, когда глаз полностью расслаблен (сфокусирован на бесконечности), а лазерный луч падает на него под прямым углом или зеркально отраженный, луч фокусируется на сетчатке в самое маленькое пятно. Если повреждение происходит в месте соединения зрительного нерва с глазом, результатом может быть полная потеря зрения. Ожог сетчатки чаще всего возникает в области центрального зрения, macula lutea (желтое пятно), имеющей размеры около 2,0 миллиметров по горизонтали и 0,8 миллиметров по вертикали. Центральная часть пятна, называемая fovea centralis (центральная ямка), всего 150 микрометров в диаметре, но именно она обеспечивает остроту зрения и восприятие цвета. Области сетчатки вне этого крошечного участка воспринимают свет и фиксируют движение, то есть формируют периферийное зрение, но не участвуют в различении деталей. Следовательно, повреждение центральной ямки, хоть она и занимает всего 3–4 процента от площади сетчатки, может привести к необратимой потере остроты зрения.

Рис.3. Плотность излучения, попадающего на сетчатку от протяжённого и точечного источника

Диапазон длин волн, достигающих сетчатки глаза, охватывает весь видимый спектр от синего (400 нанометров) до красного (700 нанометров), а также ближнюю ИК-область спектра от 700 до 1400 нанометров (IR-A). Поскольку сетчатка не чувствительна к излучению вне видимого спектра, то при облучении ее ближними инфракрасными волнами, в глазу не возникает никаких ощущений, что делает лазеры, работающие в этом диапазоне гораздо более опасными для глаз. Будучи невидимым, луч, тем не менее, фокусируется на сетчатке. Как уже обсуждалось выше, из-за эффективной фокусирующей способности глаза, относительно небольшое лазерное излучение может повредить сетчатку, а иногда привести и к серьезным проблемам со зрением. Излучение импульсных лазеров обладает высокой интенсивностью, и при фокусировке на сетчатке может вызывать резкое кровоизлияние, причем пострадавший участок может быть по размеру гораздо больше фокусного пятна. Пораженные области сетчатки не заживают и, как правило, не восстанавливаются.

Благодаря другим компонентам глаза, главным образом роговице и хрусталику, поглощаемое сетчаткой излучение ограничено диапазоном глазной фокусировки, что по-другому можно назвать опасным для сетчатки диапазоном. В процессе поглощения вред наносится и самим поглощающим структурам. Но страдает при этом только ткань, поглощающая излучение, и ткани, непосредственно примыкающие к ней. В большинстве примеров облучения на длинах волн вне диапазона от 400 до 1400 нанометров, последствия были непродолжительными. Роговица ведет себя подобно коже, в том смысле, что она постоянно обновляется, и только весьма серьезные повреждения, приводящие к рубцам, могут повлиять на эффективность зрения. Наиболее сильное поражение роговицы вызывает излучение дальнего ИК и УФ спектра.

Из-за высокой фокусирующей способности глаза, облучение даже относительно слабым когерентным лазерным пучком может причинить непоправимый вред. Следовательно, при использовании мощного лазера, зеркальное отражение (при котором сохраняется когерентный пучок) даже нескольких процентов потока излучения в течение доли секунды, может вызвать повреждение глаза. И напротив, когда лазерный пучок отражается от шероховатой поверхности или, даже, от частиц пыли в воздухе, излучение рассеивается, и диффузно-отраженное излучение попадает в глаз под большим углом. При распределении энергии светового потока на большей площади, отраженный свет приобретает свойства протяженного источника, и создает на сетчатке изображение большего размера, в сравнении с концентрированным фокусным пятном от точечного источника (см. рисунок 3). Диффузия пучка, таким образом, уменьшает вероятность повреждения глаза не только за счет увеличения размера источника и уменьшения плотности светового потока, но также благодаря нарушению когерентности луча.

Таблица 1. Биологическое воздействие лазерного излучения

Фотобиологическая спектральная область (МКО диапазон)	Воздействие на глаз	Воздействие на кожу
Ультрафиолет C (200-280 нм)	фотокератит	эритема (солнечный ожог), рак кожи
Ультрафиолет B (280-315 нм)	фотокератит	эритема (солнечный ожог), ускоренное старение кожи, повышенная пигментация
Ультрафиолет A (315-400 нм)	фотохимическая УФ, катаракта	потемнение пигмента, ожог кожи
Видимый (400-780 нм)	фотохимическое и тепловое повреждение сетчатки, ухудшение цветового и ночного зрения	ожог кожи, фоточувствительные реакции
Инфракрасный A (780-1400 нм)	ожог сетчатки, катаракта	ожог кожи
Инфракрасный B (1400-3000 нм)	ожог роговицы, воспаление водянистой влаги, катаракта, вызванная ИК- облучением	ожог кожи
Инфракрасный C (3000-1 миллион нм)	ожог роговицы	ожог кожи

Потенциальные поражения глаз могут быть классифицированы относительно длины волны лазерного излучения и по структурам глаза, которые могут быть повреждены. При этом наиболее сильное воздействие оказывается на сетчатку, а наиболее опасным диапазоном оказывается видимая и ближняя инфракрасная области спектра. В зависимости от количества поглощенной энергии, возможен тепловой ожог, поражение акустической волной или фотохимические изменения. Биологическое воздействие, оказываемое на глазные ткани излучением на различных длинах волн, кратко описано ниже и перечислено в таблице 1.

Ультрафиолет-B и C

(200–315 нанометров): Поверхность роговицы поглощает весь ультрафиолетовый свет в этом диапазоне, не допуская попадания излучения на сетчатку. В результате может развиться фотокератит (иногда называемый «сварочными зайчиками»), как следствие фотохимических процессов, приводящих к денатурации белка роговицы. В дополнение к лазерному, излучение этого диапазона может возникать от лазерной накачки или как компонент синего света при попадании в мишень, что требует дополнительных мер предосторожности кроме описанных в стандартах ANSI, которые учитывают лишь лазерное излучение. Воздействие на глаз в этом диапазоне обычно непродолжительно благодаря быстрому восстановлению роговичной ткани.

Ультрафиолет-A

(315–400 нанометров): Роговица и стекловидное тело пропускают свет этих длин волн, который поглощается, главным образом, хрусталиком глаза. Фотохимическая денатурация белка хрусталика приводит к развитию катаракты.

Видимый свет и инфракрасный-A

(400–1400 нанометров): Этот спектральный отрезок часто называют опасным для сетчатки диапазоном по той причине, что роговица, хрусталик и стекловидное тело прозрачны для света этих длин волн, и световая энергия поглощается сетчаткой. Поражение сетчатки возникает в результате тепловых или фотохимических процессов. Фотохимическое повреждение рецепторов сетчатки, может ухудшить либо общую светочувствительность или цветочувствительность глаза, а инфракрасные волны могут вызвать образование катаракты хрусталика. При поглощении глазом значительного количества энергии лазерного излучения, наиболее вероятен тепловой ожог, при котором свет, поглощенный гранулами меланина пигментированного эпителия, преобразуется в тепло. При фокусировке лазерного излучения этого диапазона роговицей и хрусталиком происходит увеличение облученности сетчатки приблизительно в 100000 раз. Вероятность поражения глаз излучением видимого диапазона лазеров относительно малой мощности, сокращается благодаря рефлексу моргания глаз (занимающего около 0,25 секунды), что помогает отвести взгляд от яркого луча. Если энергии пучка достаточно для повреждения глаза менее чем за 0,25 секунды, этот естественный защитный механизм становится неэффективен; к тому же он абсолютно бесполезен в невидимом ближнем инфракрасном диапазоне от 700 до 1400 нанометров. Лазеры, работающие в импульсном режиме, представляют дополнительную опасность поражения из-за генерации ударно-акустических волн в ткани сетчатки. Лазерные импульсы длительностью менее 10 микросекунд генерируют ударные волны, приводящие к разрыву ткани. Повреждения этого типа необратимы и потенциально более опасны, чем тепловой ожог, поскольку они обычно захватывают большую площадь сетчатки и возможны при меньшей энергии. Поэтому длительность облучения глаз, максимально допустимая стандартами безопасности, значительно меньше для короткоимпульсных лазеров.

Инфракрасный-B и инфракрасный-C

(1400 — 1 миллион нанометров): На длинах волн более 1400 нанометров роговица поглощает энергию благодаря содержащейся в ней воде и естественной слезной пленке. Это приводит к нагреванию и, как следствие, к денатурации белка у поверхности. Глубина проникновения растет с увеличением длины волны, а тепловое воздействие на белки хрусталика (критическая температура немногим больше нормальной температуры тела) может привести к его помутнению, называемому инфракрасной катарактой. В дополнение к образованию катаракты и ожога роговицы, инфракрасное излучение может привести к воспалению водянистой среды, при котором прозрачность водянистой среды передней камеры ухудшается из-за разрыва кровеносных сосудов.

В общем, лазерное излучение в ультрафиолетовом и далеком инфракрасном диапазонах поглощается роговицей и хрусталиком, и его воздействие зависит от интенсивности и длительности облучения. При большой интенсивности сразу возникает тепловой ожог, а слабое излучение может стать причиной дальнейшего развития катаракты. Конъюнктива тоже может пострадать при лазерном

облучении, хотя поражение конъюнктивы и роговицы обычно происходит при облучении светом большей мощности, чем поражение сетчатки. В результате, поскольку повреждения сетчатки приводят к более тяжелым немедленным последствиям, опасность повреждения роговицы учитывается лишь при работе с лазерами длин волн, не достигающих сетчатки (по существу, дальняя ИК-область и УФ).

Типы поражения кожи

Поражения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, обычно считаются менее важными по сравнению с возможностью поражения глаз; хотя с распространением лазерных систем высокой мощности, особенно ультрафиолетовых излучателей, незащищенная кожа может подвергаться чрезвычайно опасному облучению от не полностью закрытых систем. Являясь органом тела с самой большой поверхностью, кожа больше всего подвержена риску облучения, но, в то же самое время, она эффективно защищает от него большинство остальных органов (за исключением глаз). Важно иметь в виду, что многие лазеры предназначены для обработки материалов (например, резание или сверление), которые гораздо прочнее кожи, хотя такие лазеры обычно и не используются в микроскопии. Руки и голова — это те части тела, которые чаще всего подвергаются случайному облучению лазерным пучком при юстировке и других действиях с аппаратурой; и пучок достаточной интенсивности может вызвать тепловые ожоги, повреждения фотохимической и ударной (акустической) природы.

Наибольшие повреждения кожи возникают из-за высокой плотности излучения лазерного пучка, а его длина волны в некоторой степени определяет глубину проникновения и характер повреждения. Наибольшей глубиной проникновения обладают волны в диапазоне 300–3000 нанометров, достигая максимума в инфракрасном A спектре на длине 1000 нанометров. При работе с потенциально опасными для кожи лазерами должны быть приняты соответствующие меры предосторожности, а именно: необходимо носить одежду с длинными рукавами и перчатки из огнестойкого материала. Во многих случаях процедуры юстировки можно выполнить, используя лазеры меньшей мощности, чем требуется при проведении самих исследований.

Поражения электрическим током

Опасности поражения электрическим током, связанные с электрическими компонентами лазеров и источниками питания, одинаковы почти для всех типов лазеров и не требуют спецификации по категориям или конфигурациям лазеров. Все лазеры основных функциональных категорий (газовые, твердотельные, лазеры на красителях, полупроводниковые), за исключением полупроводниковых, требуют высокого напряжения и, часто, использования большого тока для генерации лазерного луча. Различие заключается только в месте приложения высокого напряжения — непосредственно к резонатору самого лазера, к лампе накачки или лазеру накачки, поскольку, тем не менее, оно никогда не присутствует в самой системе. Особенно опасными являются лазеры, сохраняющие высокое напряжение в конденсаторах или других компонентах уже после выключения. Это особенно характерно для импульсных лазеров, о чем нельзя забывать, когда по каким-либо причинам необходимо снять их корпус. Всегда надо помнить, что существует опасность удара током, если в точности не установлено обратное. Многим лазерам высокое напряжение необходимо только до начала генерации излучения, после чего они работают при обычном для бытовых устройств напряжении. Но это не может быть оправданием несоблюдения правил безопасности при работе с любым электрическим устройством.

Особые требования и меры безопасности при работе с лазерами микроскопов

Лазеры и сами измерительные приборы, включающие лазеры, должны отвечать определенным требованиям безопасности. В зависимости от класса безопасности лазер должен иметь либо прерыватель пучка, либо специальный механизм блокировки излучения ключом, либо другое устройство безопасности. При входе во все помещения, где находятся лазеры, представляющие потенциальную опасность, а также в тех местах рядом с лазером, где существует особенная опасность поражения, должны висеть предупреждающие знаки (примеры приведены на рисунке 4). Для устройств, лазерный луч которых не может попасть в глаза пользователю, дополнительных мер предосторожности не требуется.

Многие лабораторные лазеры имеют те же свойства, что и лазеры высокой мощности, используемые в промышленных целях, поэтому для их применения может потребоваться специальное экранирование для защиты оператора от лазерного пучка. Выходные длины волн для большинства обычно используемых лазеров приведены в таблице 2. В тех рабочих ситуациях, когда возможность попадания лазерного луча в глаза не может быть абсолютно исключена, необходимо надевать защитные очки. Важно, чтобы эти очки задерживали свет на длине волны лазера, но пропускали остальной свет, чтобы обеспечить соответствующую видимость. Ключевым моментом является соответствие фильтрации используемому лазеру, поскольку универсальных защитных очков для всех лазеров или для всех длин волн многоволнового лазера не существует. Поскольку лазерный луч может попасть в глаза под любым углом, прямым либо отраженным от поверхностей, очки должны блокировать все возможные направления.

Рис. 4. Знаки, предупреждающие о лазерной опасности

Титан-сапфировый лазер (обычно обозначаемый Ti: сапфировый лазер) является универсальным примером перестраиваемого твердотельного лазера на колебательных переходах. Лазерам этого типа необходима оптическая накачка встроенной лампой накачки или другим лазером, внутренним или внешним по отношению к основному. Из-за разнообразия конфигураций Ti: сапфировых лазерных систем невозможно дать для них единый набор правил безопасности. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и импульсном режиме, и в зависимости от системы оптической накачки, требования электробезопасности, предъявляемые к ним, могут значительно изменяться. Перенастраиваемая длина волны титан-сапфировых лазеров обычно находится в диапазоне от 700 до 1000 нанометров, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать стандартные меры безопасности для лазеров, работающих на длине волны, достигающей сетчатки (меньше 1400 нанометров). Поскольку длина волны излучения меняется, необходимо использовать защитные очки. Пользователь должен быть уверен, что любое блокирующее лазерный пучок устройство соответствует длине(ам) излучаемой волны. Один короткий мощный импульс при работе в импульсном режиме может нанести глазу непоправимый вред, поэтому необходимо принять все меры предосторожности, чтобы попадание луча на любом направлении, как прямом, так и периферийном.

Важно иметь в виду, что в некоторых конфигурациях Ti: сапфирового лазера рассеянный свет от лазера накачки может быть более опасным, чем луч основного лазера, и если есть хоть какая-нибудь вероятность попадания этого света в рабочую область, должна быть использована защита для глаз на соответствующей длине волны. Если лазер накачки стоит отдельно от вибронного лазера, могут потребоваться дополнительные меры предосторожности, чтобы исключить возможность излучения рассеянного света при сопряжении двух лазеров. В системах с накачкой импульсными лампами высокое напряжение, подаваемое на них, может сохраняться в качестве конденсаторного заряда и после выключения системы. Это необходимо помнить, чтобы избежать электрического удара при проведении технического обслуживания. Ближнее инфракрасное излучение, испускаемое лазерами этого типа, может быть особенно опасно, так как, хотя луч и невидим, или едва заметен на границе диапазона около 700 нанометров, на сетчатке фокусируется большое количество инфракрасного света.

Легирование хромом различных твердотельных материалов оказалось весьма перспективным для развития новых перенастраиваемых вибронных лазеров (на колебательных переходах). Поскольку они становятся все более распространенными, необходимо учитывать меры безопасности, специфичные для каждого типа этих лазеров. Легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF) показал себя многообещающей средой лазеров с диодной накачкой, и в некоторых приложениях мультифотонной микроскопии используется вместо Ti: сапфировых лазеров. На перенастраиваемых длинах волн инфракрасного диапазона меры предосторожности аналогичны тем, которые применимы при использовании Ti: сапфирового лазера. Однако, поскольку лазеры, легированные хромом, появились относительно недавно, нужно иметь в виду, что защитные фильтры и очки могут не подходить для длин волн этих лазеров.

Аргоновый ионный, и менее распространенный криптоновый ионный лазеры, излучают на многих длинах волн и широко применяются в оптических исследованиях и методиках, таких, например, как конфокальная микроскопия. Аргоновые лазеры обычно относят к классу IIIB и классу IV по стандартам безопасности ANSI, поэтому необходимо избегать прямого облучения лазерным пучком. Сине-зеленые лучи высококогерентного пучка аргонового ионного лазера могут достигать сетчатки, вызывая непоправимые повреждения. Необходимо использовать защитные очки с сильным поглощением на основных длинах волн. Криптоновые ионные лазеры излучают на длинах волн несколько больших, чем аргоновые лазеры, и их излучение обычно меньшей мощности, частично потому, что они излучают на многих длинах волн видимого спектра, которые широко распределены всему спектру. Широкое распределение излучаемых волн по спектру представляет проблему при создании защитных очков, поскольку, задерживая свет всего излучаемого диапазона, они поглощают почти весь видимый свет, что сделает их практически непригодными для использования. Поэтому при работе с криптоновыми ионными лазерами нужна особая осторожность во избежание попадания их мультичастотного излучения в глаза. Аргоново-криптоновые лазеры стали популярны во флуоресцентной микроскопии, при наблюдении образцов с несколькими флуорофорами, когда требуется стабильное излучение на нескольких длинах волн; попадание на сетчатку любого излучения из этого диапазона должно быть исключено. К тому же, эти газоразрядные лазеры излучают ультрафиолет, который хорошо поглощается хрусталиком; а поскольку воздействие непрерывного излучения в этом диапазоне изучено слабо, необходимо носить защитные очки, поглощающие ультрафиолет. Криптоновый ионный лазер излучает на нескольких длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне, и его излучение практически невидимо, что может представлять серьезную опасность для сетчатки, несмотря на видимую малую мощность светового пучка. Высокое напряжение, необходимое для запуска лазерного разряда, и относительно сильные токи, для генерации излучения в непрерывном режиме представляют опасность поражения электрическим током.

Гелий-неоновые лазеры широко применяются в таких устройствах, как сканеры для супермаркетов и оборудование съемки и контроля. Имея мощность в несколько милливатт или меньше, они представляют собой источник такой же опасности поражения, как и прямой солнечный свет. При случайном взгляде на маломощный луч He-Ne лазера, он не окажет вредного воздействия на глаз; но высококогерентное излучение этого лазера фокусируется на сетчатке в очень маленькое пятно, и поэтому при длительном облучении, может причинить непоправимый вред. Основной эмиссионной линией He-Ne лазера является длина волны 632 нанометров, но возможны и другие длины волн от зеленой до инфракрасной. Более мощные версии гелий-неонового лазера представляют большую опасность поражения и должны использоваться с большой осторожностью. Невозможно заранее предсказать, какой именно уровень излучения вызовет те или иные повреждения глаз. Основное правило безопасности при работе с лазерами этой категории — следует избегать любого попадания луча в глаза, кроме мгновенного взгляда на луч, а также соблюдать правила электробезопасности при работе с источниками питания под высоким напряжением.

Другим газоразрядным лазером является гелий-кадмиевый лазер, широко использующийся в сканирующих конфокальных микроскопах, и излучает на фиолетово-синей и ультрафиолетовой длинах волн со значениями 442 нанометров и 325 нанометров, соответственно. От излучения синей области больше всего страдает сетчатка, чувствительность которой в этом диапазоне даже при низких уровнях облученности выше, чем к более длинноволновому излучению видимой области. Поэтому даже при низкой мощности излучения He-Cd лазера необходимо строго выполнять процедуры по соблюдению мер безопасности. Только малая часть ультрафиолета с длиной волны 325 нанометров может попасть на сетчатку из-за его сильного поглощения хрусталиком, но длительное облучение хрусталика этим светом может привести к развитию катаракты. Соответствующие защитные очки помогают избежать повреждения. Последняя версия He-Cd лазера представляет в этом смысле более трудную задачу, поскольку этот лазер одновременно излучает красный, зеленый и синий свет. Любая попытка одновременной фильтрации всех трех длин волн приводит к блокировке такой большой части видимого спектра, что пользователь уже не может выполнять необходимые задания, работая в защитных очках. Если отфильтрованы только две линии эмиссии, остается риск облучения третьей, поэтому требуется строгое соблюдение мер безопасности, для предупреждения облучения.

Азотные лазеры излучают на длине волны 337,1 нанометров УФ области спектра и используются в качестве импульсных источников во множестве приложений в микроскопии и спектроскопии. Их часто применяют в определенных методиках регистрации изображений и визуализации для накачки молекул красителей, для возбуждения излучения на дополнительных линиях с большей длиной волны Азотные лазеры способны генерировать излучение высокой мощности с чрезвычайно высокой частотой следования импульсов. При попадании излучения в глаз может быть поражена роговица, и, хотя поглощение на хрусталике в некоторой степени защищает сетчатку от ближнего ультрафиолета, нельзя сказать определенно, справедливо ли это для высокомощного импульсного излучения. Самым безопасным подходом при работе с лазерами этого типа является полная защита глаз. К тому же, для их работы требуется высокое напряжение, поэтому контакт с любыми компонентами системы питания может осуществляться только при полном отсутствии заряда.

Наиболее распространенные твердотельные лазеры основаны на введении ионизированного неодима в качестве примесей в уровни основного кристалла (легирование). Материалом для основного кристалла для неодима чаще всего служит алюмоиттриевый гранат, АИГ (YAG), синтетический кристалл, являющийся основой Nd:YAG лазера. Лазеры с неодимом представлены в огромном количестве модификаций, с различными значениями мощности излучения, как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Их накачка может осуществляться полупроводниковым лазером, импульсной лампой, дуговой лампой, а их характеристики могут варьироваться очень значительно в зависимости от конструкции и области назначения. В силу их широко распространенности и определенной степени опасности, которую они в себе несут, от неодимовых лазеров пострадало, возможно, больше всего людей, чем от лазеров других категорий.

Алюмоиттриевые лазеры с неодимом (Nd:YAG) генерируют излучение ближней ИК области на длине волны 1064 нанометров, которое может вызвать серьезное повреждение сетчатки глаза, поскольку оно невидимо и велика вероятность поражения отраженными лучами. Большинство из этих лазеров, используемых в микроскопии, имеют диодную накачку и излучают короткие импульсы высокой интенсивности, опасные даже при попадании в глаза единственного отраженного импульса. Следовательно, любые направления возможного попадания света в глаза должны быть блокированы. В этом случае подходящим вариантом могут быть защитные очки, поглощающие инфракрасный, но пропускающие видимый свет, за исключением приложений, где используются гармоники более высокого порядка. Удвоение частоты производит вторую гармонику на 532 нанометрах (видимый зеленый свет), которая также проходит до сетчатки, и если эта эмиссионная линия используется, необходима дополнительная фильтрация для ослабления зеленого света. Утроение и учетверение частоты обычно применяется в Nd:YAG лазерах для получения третьей и четвертой гармоник на 355 и 266 нанометрах, что представляет различную опасность поражения. В этих случаях следует использовать защитные очки для фильтрации ультрафиолета, и, возможно, средства защиты кожи для предотвращения ожогов. Лазеры, генерирующие инфракрасное излучение мощностью несколько ватт, на второй, третьей и четвертой гармониках выдают сотни милливатт.

Таблица 2. Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров

Тип лазера (область спектра)	Длина волны (нанометры)
Эксимерный, аргон-фтор (УФ)	193
Эксимерный, криптон-хлор (УФ)	22
Эксимерный, криптон-фтор (УФ)	248
Эксимерный, ксенон-хлор (УФ)	308
Эксимерный, ксенон- фтор (УФ)	351
Гелий-кадмиевый (УФ, видимый)	325, 442
Азотный (УФ)	337
Криптоновый (видимый)	476, 528, 568, 647
Аргоновый (видимый)	488, 514
На парах меди (видимый)	510, 578
Nd:YAG, вторая гармоника (видимый)	532
Гелий-неоновый (видимый, ближний ИК)	543, 594, 612, 633, 1150, 3390
На парах золота (видимый)	628
На красителе родамине 6G (видимый, перенастраиваемый)	570-650
Рубиновый (видимый)	694
Полупроводниковый диодный (видимый, ближний ИК)	630-1600
Титан-сапфировый (видимый - ближний ИК)	680-1130
Nd:YAG (ближний ИК)	1064
Эрбиевый (ближний ИК)	1540
Фтористый водород (ближний ИК)	2600-3000
СО2 (дальний ИК)	9600, 10600

Хотя излучение некоторых неодимовых лазеров с диодной накачкой имеет относительно невысокую мощность (особенно на гармониках высокого порядка и в непрерывном режиме генерации), в большинстве случаев, мощности их излучения достаточна для поражения, поэтому защита глаз необходима при работе с любым лазером этого типа. Трудность при работе с любым многочастотным лазером, состоит в том, что защитные очки должны перекрывать все опасные эмиссионные линии. При работе с гармониками высокого порядка мы не можем утверждать, что более длинноволновое излучение на основной частоте отсутствует, поэтому у многих коммерческих лазеров есть механизмы для удаления нежелательного излучения оптическим способом. У лазеров с неодимовым легированием, использующих для накачки лампу, вместо диода, существует дополнительная опасность поражения электрическим током из-за высокого напряжения в источниках питания.

Значительное число исследований проводится в поисках альтернативного основного кристалла для присадки в него неодима. По мере их появления в промышленных лазерах, отдельное внимание должно быть уделено безопасной работе с ними. Внедрение устройств, обеспечивающих безопасную работу с новыми лазерами, не всегда поспевает за появлением новых моделей лазеров. На сегодня наиболее распространенной альтернативой алюмоиттриевому гранату является литиево-иттриевый фторид (обозначаемый как YLF), и как импульсные, так и непрерывные Nd:YLF лазеры уже выпускаются серийно. Будучи во многих отношениях похожими на неодимовые:YAG лазеры, лазеры на Nd:YLF немного отличаются по длине основной волны (1047 нанометров), и это должно приниматься во внимание при создании защитных фильтров, как, например, в защитных очках, учитывая их поглощение света на основной гармонике и на гармониках более высокого порядка.

Полупроводниковые диодные лазеры представляют относительно новую технологию, распространяющуюся сейчас быстрыми темпами в разнообразных вариантах. Рабочие характеристики диодных лазеров зависят от множества факторов, включая электрические свойства полупроводника, технологию выращивания, использованную при его производстве и применяемые легирующие примеси. Длина волны излучения, испускаемого лазерной средой, зависит от ширины запрещенной (энергетической) зоны и других характеристик, определяемых структурой полупроводника. Продолжающееся развитие обещает расширение волнового диапазона промышленных диодных лазеров. Сегодня, полупроводниковые диодные лазеры с длинами волн больше 1100 нанометров используются, в основном, в волоконной оптике. Большинство лазеров этой категории основаны на активных слоях смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAsP) в различных пропорциях. В основном, они излучают на длине волны либо на 1300, либо на 1550 нанометров. Небольшой процент излучения на 1300 нанометров достигает сетчатки глаза, в то время как излучение длин волн, больших 1400 нанометров, представляет наибольшую опасность для роговицы. Серьезные повреждения глаза маловероятны, за исключением излучения достаточно большой мощности. Большинство диодных лазеров, излучающих на 1300 нанометров, маломощны и не представляют серьезной угрозы для глаз, если лазерный пучок не направлен прямо в глаза в течение длительного времени. Неколлимированные пучки излучения диодного лазера и пучки света, выходящие из оптоволокна, имеют большой угол расходимости, что обеспечивает дополнительную степень безопасности. Защитные очки должны использоваться при излучении высокой мощности, если не все излучение полностью направлено или содержится в оптоволокне. При юстировке оптических приборов с излучением в ближней ИК-области, кроме надетых защитных очков, задерживающих инфракрасный свет, можно использовать флуоресцентные экраны или другие тепловизионные устройства (ИК). Диодные лазеры работают на низком напряжении и при слабом токе, поэтому, обычно, не представляют электрической опасности.

Диодные лазеры, излучающие на номинальных длинах волн менее 1100 нанометров, основаны, главным образом, на смесях галлия и мышьяка, но постоянные разработки новых материалов и технологий расширяют диапазон их излучения до более и более коротких волн. С некоторыми исключениями, при работе с диодными лазерами требуются те же меры безопасности, что и с остальными, излучающими в том же диапазоне и на той же мощности. Как говорилось выше, фактором, понижающим, в некоторых случаях, потенциальную опасность диодных лазеров, является высокая расходимость их пучков, благодаря которой энергия пучка рассеивается во многих направления на коротком расстоянии от излучательной поверхности полупроводника. Тем не менее, если в приложении необходимо использовать дополнительную фокусирующую оптику, или какой-либо метод коллимации, этот фактор сводится на нет. Диодные лазеры, работающие на смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAlP), излучают на 635 нанометрах при милливаттной мощности, поэтому требования безопасности, предъявляемые при работе с ними, аналогичны предъявляемым к гелий-неоновым лазерам той же мощности. Некоторые варианты лазеров на аналогичных диодных смесях, излучают на 660 или 670 нанометрах, и хотя естественная реакция глаза обеспечивает некоторую защиту, глаз не так чувствителен к этим длинам волн, как к излучению на 635 нанометрах, а поэтому рекомендуется использование защитных очков. Необходимо обеспечить фильтрацию именно этих длин волн, так как защитные очки, изготовленные для поглощения больших длин волн, могут быть неэффективными на 660 и 670 нанометрах.

Различные смеси галлия, алюминия, мышьяка (GaAlAs) используются для изготовления диодных лазеров, излучающих в диапазоне от 750 до почти 900 нанометров. Из-за ограниченной чувствительности глаза к излучению на 750 нанометрах (возможно слабое восприятие красного света) и полного отсутствия чувствительности к более длинным волнам, эти лазеры представляют для глаз большую опасность поражения, чем работающие в видимом диапазоне. Диодные лазеры, работающие в этом диапазоне, могут генерировать излучение, значительно более высокой мощности (до нескольких ватт в диодной матрице), что может повредить глаз даже при коротком облучении. Невидимость этого пучка исключает естественную защитную реакцию глаза, поэтому необходимо носить защитные очки, особенно при работе с лазерами большой мощности. Лазеры на смеси индия-галлия-мышьяка (InGaAs) излучают даже на больших длинах волн, поэтому необходимы защитные очки, поглощающие 980-нанометровую линию, опять же для исключения возможности случайного попадания в глаза невидимого излучения.

В итоге, основными опасностями при работе с лазерами являются возможность повреждения глаз и поражения кожи при контакте с лазерным лучом, а также опасность электрического удара из-за высоких напряжений в лазерах. Следует принимать все меры предосторожности во избежание контакта (особенно глаз) с лазерным лучом, а когда это невозможно, необходимо носить защитные очки. При выборе защитных очков или других фильтров существенны четыре фактора: длина волны лазера, характер излучения (импульсный или непрерывный), тип лазерной среды (газ, полупроводник и т. д.) и выходная мощность лазера.

Существуют еще дополнительные, не связанные с излучением, опасности, некоторые из которых относятся к самой микроскопии, а другие встречаются довольно редко. Во многих промышленных приложениях лазеры используются для резки и сварки. Высокие температуры, возникающие при выполнении таких операций, могут способствовать появлению различных вредных дымов и испарений, которые обязательно должны удаляться из рабочих помещений. Это не имеет отношения к лазерам, используемым в оптической микроскопии, однако следует учитывать и соблюдать общие правила техники безопасности. В системах, накачиваемых импульсными лампами, существует опасность взрыва лампы при нагнетании в ней высокого давления. Корпус прибора должен быть сконструирован таким образом, чтобы удержать все осколки лампы, в случае такого взрыва. Для охлаждения лазеров (рубинового или с неодимовым легированием, например) могут использоваться криогенные газы, такие как жидкий азот или гелий. При попадании этих газов на кожу возможны ожоги. Если значительное количество газов выпускается в закрытом помещении, они, замещая собой находящийся в помещении воздух, могут вызвать недостаток кислорода. Электрическая безопасность, связанная с лазерным оборудованием, уже обсуждалась выше, но ее нельзя переоценить, так как корпуса приборов, предназначенные для защиты от поражения электрическим током, обычно снимаются при установке лазера, юстировке и техническом обслуживании. Некоторые лазерные системы (класса IV или 4, особенно) потенциально пожароопасны.