Что такое лазерное излучение

Что такое лазерное излучение

Что такое лазерное излучение?

Слова "лазер" — аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulatcd emission of radiation — усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Итак, лазер или оптический квантовый генератор — это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании принудительного (стимулированного) излучения.

Лазер как техническое устройство состоит из трех основных элементов:

Основными техническими характеристиками лазеров являются: длина волны (X). мкм;

ширина линии излучения (SX) и

интенсивность излучения лазеров определяется по величине энергии (WJ или мощности (рj, Дж или Вт

длительность импульса (х), с;

частота импульсов (F), Гц.

Как классифицируются лазеры?

В соответствии с "Санитарными нормами и правилами устройства классификации лазеров" положена степень их опасного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры делятся на 4 класса:

класс I (безопасные) — излучение безопасно для глаз

класс II (малоопасные) — опасно для глаз прямое, зеркальное отражение излучения;

класс ПИ (середньонебезпечни) — опасное для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и для кожи прямое и зеркально отраженное излучение;

класс IV (высокоопасные) — опасное для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Классификация определяет специфику влияния излучения на орган зрения и кожу. Ведущим критерием для оценки степени опасности лазерного излучения принята величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиции облучения.

Существует классификация лазеров по физико-техническим параметрам, при этом учитывается агрегатное состояние активной рабочего вещества (твердое, жидкое, газообразное), характер генерации (импульсный, непрерывный) способ накачки активного вещества (оптический, электрический, химический и т. Д.).

По характеру генерации излучения, лазеры подразделяются на импульсные (продолжительностью излучения 0,25 с) и непрерывного действия (продолжительность излучения более 0,25 с).

Какова действие лазерного излучения на организм человека?

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности) и энергии излучения на единицу поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты импульсов, времени облучения, плоскости поверхности облучается), локализации воздействия и анатомо-физиологических особенностей облучаемого .

В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения.

Мощный поток лазерной энергии, попадающей на биологические ткани, может вызвать серьезные поражения. Лазерное излучение влияет на живой организм путем тепловой механической и электрической действия. Облучения лазерными лучами может вызвать функциональные нарушения в деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой системы, эндокринных желез. Облучение может привести к сворачиванию или распада крови, повреждения глаз, кожи, вызвать генетические изменения, головная боль, расстройства сна, слабость и т. Д.

Биологическое действие лазерного излучения возникает вследствие поглощения организмом его энергии, что вызывает тепловой эффект. Термический эффект лазерного излучения зависит от физической характеристики лучей спектральной характеристики открытых участков кожи, состояния кровообращения и т. Д.

Способность организма поглощать энергию зависит от характера тканей. Жировая ткань организма вообще не поглощает энергию. Теплоотдача внутренних частей тела очень незначительна, что вызывает локальный нагрев а также концентрацию поглощенной энергии в небольшом объеме. Этим объясняется поражение головного мозга, внутренних органов и т. Д.

Под действием лазерного облучения жидкость, окружающая биологические структуры, мгновенно испаряется, вызывая резкого повышения давления, возникновения, вследствие этого, ударной волны и механической травмы. Происходит не только ожог, но и разрыв тканей, представляет большую опасность для зрительного анализатора.

Наибольшую часть лазерного излучения воспринимает кожный покров, что представляет собой природный экран для защиты внутренних органов. В результате облучения возникают ожоги и отеки кожи различной степени — от покраснения до некроза (омертвение кожи). Глубина проникновения лучей зависит от пигментации кожи. Чем кожа темнее тем меньше глубина проникновения лучей. Порог повреждения темно-пигментной кожи значительно меньше, чем светло-пигментной.

Различают 4 степени поражения кожи лазерным излучением:

I степень — ожоги эпидермиса;

II степень — ожоги дермы (пузыри поверхностных слоев дермы)

III степень — ожоги дермы до глубоких слоев;

IV степень — деструкция всей толщины кожи, подкожной клетчатки и прилегающих слоев.

Особенно опасным является действие лазерного излучения на глаза, через которые оно проходит без потерь, достигая сетчатки. Плотность энергии на сетчатке глаза возрастает при увеличении диаметра зрачка, поэтому повреждение глаза, адаптированного к темноте значительно больше, чем при ярком освещении. Чем темнее сетчатка, тем меньше порог повреждающего плотности энергии. Удаление источника лазерного излучения не гарантирует безопасность глаз.

Биологический эффект действия лазерного излучения усиливается вследствие его многократного воздействия, а также через комбинацию с другими факторами производственной среды.

Лазерное излучение представляет собой особый вид электромагнитного излучения, генерируемого в диапазоне длин волн 0,1. 1000 мкм. Лазеры широко применяются в самых различных областях человеческой деятельности благодаря таким уникальным свойствам, как высокая степень когерентности и монохроматичности излучения, малая расходимость луча, острая фокусировка излучения и возможность получения огромной плотности мощности излучения.

Лазерные системы помимо широкого научно-технического и промышленного использования имеют разнообразное применение в медицине, биологии, биотехнологии, генной инженерии и т.п.

По виду лазерное излучение подразделяют на прямое; рассеянное; зеркально-отраженное; диффузное.

Свойства лазерного излучения. Интенсивность излучения. В отличие от всех известных оптических источников излучение лазеров обладает чрезвычайно высокой интенсивностью. Мощность твердотельного оптического квантового генератора (ОКГ) может достигать 10 12 Вт. При фокусировке это излучение можно сконцентрировать в малом пятне. Плотность мощности лазерного излучения может достигать высоких значений — порядка 10 17 Вт см -2 и более. При воздействии такого излучения на вещество развиваются высокие температуры порядка 10 6 К. и выше. Естественно, что никакой тугоплавкий материал не выдержит такой плотности излучения. Время воздействия таких плотностей в случае импульсного действия гораздо меньше времени установления стационарного процесса, при этом происходит взаимодействие интенсивного излучения с веществом в локальном объеме, т.е. в области облучения, не затрагивая соседние области.

Читайте также:  Как правильно выбрать картошку на зиму

Ширина линии излучения и когерентность. Монохроматическая волна имеет строго определенную частоту колебаний:

где Е — амплитуда вектора электрической напряженности поля; к — волновое число; x — координата оси распространения волны; φ — фаза (E, ω, k, φ — не зависят от t).

При распространении в пространстве двух волн одинаковой частоты, но с разными фазами (φ1, φ2), в любой момент времени разность фаз Δφ = (φ12) будет оставаться постоянной. Две волны когерентны, если амплитуда, частота, фаза, поляризация и направление распространения этих волн остаются постоянными или изменяются по определенному закону. Идеальных монохроматических колебаний в природе не существует, так как каждый энергетический уровень имеет конечную ширину, связанную с временем жизни уровня. Из соотношения неопределенности (соотношение Гейзенберга) следует, что неопределенность значения верхнего уровня Δε при излучении связана с неопределенностью времени жизни этого уровня Δt соотношением

(5.30)

Длительность процесса излучения τ и естественная ширина линии излучения Δω = 2πΔν связаны выражением

(5.31)

Учитывая, что в лазере имеется оптический резонатор, в котором существуют собственные частоты (моды колебаний шириной Δνρ), путем соответствующего выбора размеров резонатора и условий работы лазера можно получить высокую степень монохроматичности. В газовых лазерах сравнительно легко получить Δνρ = 10 -10 (где v — резонансная частота перехода) и даже меньше. Это выполняется в том случае, если в интервале Δνл на резонансной частоте ν находится одна мода Δνм колебания резонатора (одномодовый режим). У твердотельных ОКГ монохроматичность хуже монохроматичности газовых лазеров. Высокая степень монохроматичности лазерных источников облегчает получение меньшего пятна rs при фокусировке. При этом хроматическая аберрация оптических линз практически не играет роли. Это свойство лазерных источников способствует получению значительных интенсивностей.

Лазерное излучение обладает высокой степенью временной и пространственной когерентности. Это свойство лазерного излучения способствует получению больших значений Ws, так как малая расходимость лазерного потока способствует получению меньших значений rs. Понятие когерентности играет большое значение при использовании лазерного излучения в оптической локации.

Напряженность электрического поля. Лазерное излучение, обладая чрезвычайно высокой интенсивностью, позволяет получать высокие значения электрической напряженности в потоке. Эти значения сравнимы с внутриатомными полями. Максимальное значение электромагнитной связи электрона с протоном водорода Н определяется выражением

(5.32)

где е — заряд электрона; r — радиус электронной орбиты.

При го = 10 -8 см величина Е н, = 10 9 В/см. Для других веществ это значение составляет 107. 108 В/см.

Как известно, интенсивность поля (плотность мощности) связана с напряженностью электрического поля Е соотношением

(5.33)

где ε — диэлектрическая проницаемость вакуума; с — скорость света.

При интенсивностях, например, 10 14 Вт · см -2 величина Е составляет примерно 10 8 В см -1 .

Лазерное излучение дает возможность относительно просто варьировать мощность лучевого потока, изменять направление его распространения при помощи фокусирующих линз, внешних коллиматоров, отражающих зеркал или специальных устройств.

Яркость. Свойства лазеров позволяют получить необычайно высокое значение яркости излучения. В табл. 5.10 представлены сравнительные значения яркости некоторых оптических источников, из которой видно, что яркость лазерного источника на много порядков превышает яркость Солнца и мощность искусственных источников спонтанного оптического излучения.

Таблица 5.10. Значения яркости некоторых источников

Расходимость потока, стсрад

Вт · см­ -2 · стсрад -1

Nd-стекло (лазер спец. конструкции)

Угол расходимости пучка. Одной из важных характеристик лазерного излучения является направленность (коллимация) излучения. Важность коллимации заключается в том, что энергия, переносимая лазерным потоком, может быть собрана (сфокусирована) на малой площади.

Ограничение на угол расходимости лазерного потока накладывается дифракцией:

(5.34)

где θ — угол расходимости; К — числовой коэффициент порядка единицы (для однородного пучка К =1,22); λ — длина волны; d — диаметр выходной апертуры.

Классификация лазеров. Основной источник лазерного излучения — оптический квантовый генератор (лазер). Лазеры являются генераторами электромагнитных волн оптического диапазона, в которых используется вынужденное электромагнитное излучение молекул активного вещества, приводимого в возбужденное состояние источником накачки. Типы лазеров различаются видом активного вещества и способом накачки.

В твердотельных лазерах в качестве активного вещества используются кристаллы рубина, иттриево-алюминиевый гранат (АИГ) или стекло, активированное неодимом (Nd) или эрбием. Для возбуждения активного вещества применяют импульсные ксеноновые лампы. В режиме свободной генерации твердотельные лазеры генерируют импульсы длительностью 0,1-1 мс, с энергией десятки джоулей и мощностью в импульсе десятки или сотни киловатт (10 9 . 10 10 Вт). Угол расходимости луча в твердотельных лазерах составляет 20. 30°.

Читайте также:  Кухня совмещенная с прихожей в малогабаритной квартире

В газовых лазерах активным веществом является газ или смесь газов, которые приводятся в возбужденное состояние газовым разрядом. Газовые лазеры характеризуются малым углом расхождения луча — всего 1. 3°. Наибольшее распространение получили лазеры на смеси гелия (Не) и неона (Ne) с длиной волны генерации 0,63 мкм и лазеры на углекислом газе (СО2) с длиной волны 10,6 мкм. Мощность гелий-неоновых лазеров невелика и составляет десятки или сотни милливатт. Лазеры на углекислом газе характеризуются большой мощностью — сотни ватт в непрерывном режиме и высоким КПД — 20. 30%.

В полупроводниковых лазерах активным веществом является полупроводниковый кристалл. Возбуждение лазера осуществляется электрическим током, проходящим через кристалл. Максимальная мощность составляет около 100 Вт в импульсном режиме и несколько ватт — в непрерывном. Обладает углом расходимости луча в несколько градусов.

В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют обычно органические красители. Возбуждение активного вещества осуществляется или когерентным излучением другого лазера, или некогерентным излучением импульсных ламп. В жидкостных лазерах при соответствующем выборе активного вещества можно получить когерентное излучение с длинами волн от 0,34 до 11,75 мкм. Энергия излучения в импульсе составляет до 10 Дж.

Воздействие лазерного излучения на человека, живой организм, живую клетку многолико и противоречиво.

В настоящее время лазерное излучение используется и как хирургический нож для удаления злокачественных опухолей и других образований, и как тонкий инструмент в микрохирургии глаза, и как целительный луч для лечения самых разнообразных заболеваний сердца, печени, вегетативно-сосудистой системы, пищеварительного тракта и т.д.

С другой стороны, лазерное излучение представляет определенную опасность при неосторожном и неумелом его использовании. Даже работа с маломощным лазером представляет опасность, прежде всего для глаз.

Биологическое действие лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения, поэтому весь диапазон длин волн делится на области: ультрафиолетовая (0,2. 0,4 мкм); видимая (0,4. 0,5 мкм); инфракрасная — ближняя (0,75. 1) и дальняя (свыше 1,0).

По степени опасности лазерного излучения для организма человека все лазерные установки подразделяются на четыре класса. К классу I относятся лазеры, излучение которых не представляет опасности для кожи и глаз человека, к классу II — излучение которых представляет опасность для глаз или кожи при облучении прямым или зеркально отраженным излучением.

Излучение лазеров класса III представляет опасность для глаз и кожи при облучении прямым или зеркально отраженным излучением и опасность для глаз при облучении диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

К классу IV относятся лазеры, излучение которых представляет опасность для кожи и глаз при облучении диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Деление лазеров на классы позволяет определить мероприятия по обеспечению безопасности при работе с лазерами различных типов.

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.

Лекция 8

«Лазер» — аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulated emission of radiation- усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Лазер (оптический квантовый генератор) — генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение, которое формируется в (лазерах) с длиной волны 0,2-1000мкм: 0,2…0,4 мкм — ультрафиолетовая, 0,4…0,75 мкм — видимого света, ближнего инфракрасного 0,75…1,4 мкм, инфракрасного 1,4…10 2 мкм.

Отличительная особенность лазерных излучений является: монохромность излучения (строго одной длины волны); когерентность излучения (все источники излучения испускают электромагнитные волны в одной фазе); острая направленность луча (малое расхождение).

Лазерное излучение различают по виду излучения на

прямое (заключенное в ограниченном телесном угле)

рассеянное (рассеянное от вещества, находящегося в составе среды, сквозь которую проходит лазерный луч)

зеркально-отраженное (отраженное от поверхности под углом, равным углу падения излучения)

диффузно-отраженное (отражается от поверхности по всевозможным направлениям)

Как техническое устройство лазер состоит из трех основных элементов:

активной среды

резонатора

системы накачки.

В зависимости от характера активной среды лазеры подразделяются на следующие типы: твердотельные (на кристаллах или стеклах); газовые (He-Ne, Ar, Kr, Xe, Ne, He-Cd, CO2 и др.); жидкостные; полупроводниковые и др.

В качестве резонатора обычно используются параллельные зеркала с высоким коэффициентом отражения, между которыми размещается активная среда.

Накачка, т.е. перевод атомов активной среды на верхний уровень, обеспечивается или посредством мощного источника света или электрическим разрядом.

Существуют лазеры непрерывного и импульсного действия.

Классификацию лазеров можно представить в следующем виде (рис):

По степени опасности генерируемого излучения классифицируются лазеры согласноГОСТ 12.1.041-83 (1996):

— класс 1 (безопасные)— выходное излучение не представляет опасности для глаз и кожи;

— класс II (малоопасные) — выходное излучение опасно при облучении глаз прямым или зеркальныо-отраженным излучением;

— класс III (среднеопасные) – опасно для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно-отраженное излучение;

— класс IV (высокоопасные) – опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отраженной поверхности.

Классификацию лазеров по степени опасности осуществляют на основе временны́х, энергетических и геометрических (точечный или протяженный источник) характеристик источника излучения и предельно допустимых уровней лазерного излучения.

Читайте также:  Как протянуть кабель через пластиковое окно

Технические характеристики лазера: длина волны, мкм; ширина линии излучения; интенсивность излучения (определяется по величине энергии или мощности выходного пучка и выражаемая в Дж или Вт); длительность импульса ,с; частота повторения импульсов,Гц.

Лазеры получили широкое применение в научных целях, в практической медицине, а также в различных областях техники. Области применения лазера определяются энергией используемого лазерного излучения:

Биологическое действие лазерного излучения зависит от энергии излучения Е, энергии импульса Еи, плотности мощности (энергии) Wp (We), времени облучения t, длины волны l, длительности импульса t, частоты повторения импульсов f, потока излучения Ф, поверхностной плотности излучения Еэ, интенсивности излучения I.

Характеризуемый объект Показатель Обозначение Единица измерения
Пучок лазерного излучения Энергия лазерного излучения Е Дж
Энергия импульса лазерного излучения Еи Дж
Мощность лазерного излучения Р Вт
Плотность энергии (мощности) лазерного излучения We , Wp Дж/см 2 (Вт/см 2 )
Поле излучения Поток излучения Ф, F, Р Вт
Поверхностная плотность потока излучения Еэ Вт/м 2
Интенсивность излучения I, S Вт/м 2
Источник излучения Излучательная способность Rэ Вт/м 2
Энергетическая сила излучения Iэ Вт/ср
Энергетическая яркость Le Вт/м 2 ·ср
Приемник излучения Облученность (энергетическая освещенность) Ee Вт/м 2
Энергетическое количество освещения He Дж/м 2

Под воздействием лазерного излучения нарушается жизнедеятельность, как отдельных органов, так и организма в целом. В настоящее время установлено специфическое действие лазерных излучений на биологические объекты, отличающееся от действия других опасных производственных физических и химических факторов. При воздействии лазерного излучения на сплошную биологическую структуру (например, на организм человека) различают три стадии: физическую, физико-химическую и химическую.

На первой стадии (физической) происходят взаимодействия излучения с веществом, характер которых зависит от анатомических, оптико-физических и функциональных особенностей тканей, а также от энергетических и пространственных характеристик излучения и, прежде всего, от длины волны и интенсивности излучения. На этой стадии происходит нагревание вещества, переход энергии электромагнитного излучения в механические колебания, ионизация атомов и молекул, возбуждение и переход электронов с валентных уровней в зону проводимости, рекомбинация возбужденных атомов и др. При воздействии непрерывного лазерного излучения преобладает в основном тепловой механизм действия, в результате которого происходит свертывание белка, а при больших мощностях – испарение биоткани. При импульсном режиме (с длительностью импульсов -2 с) механизм взаимодействия становится более сплошным и приводит к переходу энергии излучения в энергию механических колебаний среды, в частности ударной волны. При мощности излучения свыше 10 7 Вт и высокой степени фокусировки лазерного луча возможно возникновение ионизирующих излучений.

На второй стадии (физико-химической) из ионов и возбужденных молекул образуются свободные радикалы, обладающие высокой способностью к химическим реакциям.

На третьей стадии (химической) свободные радикалы реагируют с молекулами веществ, входящих в состав живой ткани, и при этом возникают молекулярные повреждения, которые в дальнейшем определяют общую картину воздействия лазерного излучения на облучаемую ткань и организм в целом. Схематически основные факторы, определяющие биологическое действие лазерного излучения, можно представить следующим образом:

Лазерное излучение представляет опасность главным образом для тканей, которые непосредственно поглощают излучение, поэтому с позиций потенциальной опасности воздействия и возможности защиты от лазерного излучения рассматривают в основном глаза и кожу.

Высокой чувствительностью к электромагнитным излучениям обладают роговица и хрусталик глаза, причем оптическая система глаза способна на несколько порядков увеличивать плотность энергии видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне по отношению к роговице.

Длительное действие лазерного излучения видимого диапазона (не на много меньше ожогового порога) на сетчатку глаза может вызвать необратимые изменения в ней, а в ближнем инфракрасном диапазоне может привести к помутнению хрусталика. Клетки сетчатки после повреждения не восстанавливаются.

Действие лазерного излучения на кожу в зависимости от первоначальной поглощенной энергии приводит к различным поражениям: от легкой эритемы (покраснения) до поверхностного обугливания и, в конечном итоге, образования глубоких дефектов кожи.

Различают 6 видов воздействия ЛИ на живой организм:

1) термическое (тепловое) действие. При фокусировании лазерного излучения выделяется значительное количество теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;

2) энергетическое действие. Определяется большим градиентом электрического поля, обусловленного высокой плотностью мощности. Это действие может вызвать поляризацию молекул, резонансные и другие эффекты.;

3) фотохимическое действие. Проявляется в выцветании ряда красителей;

4) механическое действие. Проявляется в возникновении колебаний типа ультразвуковых в облучаемом организме.

5) электрострикция – деформация молекул в электрическом поле лазерного излучения;

6) образование в пределах клетки микроволнового электромагнитного поля.

Предельно-допустимыми уровнями (ПДУ) облучения приняты энергетические экспозиции. Для ПДУ непрерывного лазерного излучения выбирают энергетическую экспозицию наименьшей величины, не вызывающей первичных и вторичных биологических эффектов (с учетом длины волны и длительности воздействия). Для импульсно-периодического излучения, ПДУ облучения рассчитывают с учетом частоты повторения и воздействия серии импульсов.

При эксплуатации лазеров, помимо лазерного излучения, возникают и другие виды опасностей. Это – выделение вредных химических веществ, шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующие излучения и др.

| следующая лекция ==>
| УЧАСТКИ ПРИЕМА, ВЫДАЧИ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Дата добавления: 2015-06-27 ; Просмотров: 7013 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Ссылка на основную публикацию
Что означает стиль лофт
ReLend.ru » Стили » В чём фишка дизайна квартиры в стиле лофт и что это такое? В данной статье мы...
Чем утеплить расширительный бак на чердаке
В данной системе поддерживается атмосферное давление, так как она напрямую сообщается с атмосферой через расширительный бак открытого типа. Такой бак...
Чем утеплять баню внутри из блока
Полноценное утепление бани из блоков позволяет улучшить эксплуатационные возможности строения и снизить расходы, связанные с его обслуживанием. Благодаря расширению ассортимента...
Что означает цветовая температура светодиодных ламп
Цветовая температура является одной из основных характеристик светодиодных изделий, использующихся для освещения. Часто возникает вопрос, что же это такое и...
Adblock detector