激光安全 Laser safety

2022-11-11 11:03:47 浏览:443

定义

使用激光设备的安全性。

激光的危害

激光束(激光束)可能是危险的,特别是对于眼睛(有时也对皮肤),主要是因为它们即使在相对较长的距离传播后也具有高光学强度。 更准确地说,它们的高光泽往往是实际问题。 即使眼睛入口处的强度适中,激光辐射也可以由眼睛的晶状体聚焦到视网膜上的一个小点,在那里它可以在几分之一秒内造成严重的永久性损伤 - 即使功率水平只有几毫瓦的数量级。 热效应和光化学效应都可能导致损坏。 眼睛的激光损伤并不总是立即被注意到:例如,有可能烧伤视网膜的周边区域,导致盲点,这些盲点可能在几年后才被注意到。

危害与不同光谱区域的激光有关。 如上所述,上述眼睛视网膜的风险通常是可见光和近红外辐射的主要问题。 在其他光谱区域,光线通常无法到达视网膜,但会引起其他类型的危害。紫外线激光可引起角膜闪光灼伤,这是一种痛苦的角膜状况。 紫外线辐射也会导致眼睛晶状体的光角膜炎和白内障。 (由于这些原因,XeCl准分子激光器获得了“白内障机”的绰号。中红外激光器,特别是那些在某些波长下工作且角膜吸收非常强(例如3 μm或10 μm)的激光,也会导致疼痛的角膜损伤。

眼睛可以忍受多少光取决于许多情况:不仅是强度,而且特别是波长和照射持续时间(例如脉冲持续时间)。 此外,一个重要的方面不是眼睛入口处的光学强度,而是视网膜上产生的强度,这取决于与空间相干性和辐射度相关的激光的非平凡特性。 对于给定情况,有一组详细的规则用于计算安全暴露限值(最大允许暴露,MPE)。 这些规则偶尔会根据新的科学发现进行修订。

眼睛特别敏感,但激光辐射也会导致皮肤受伤。 对于红外光,这主要通过热效应(热皮肤灼伤)发生,类似于用其他方式灼伤皮肤。 穿透深度取决于波长,因此,1.5μm波长的激光束比1μm光束在皮肤上引起更多的疼痛。 虽然这种燃烧在大多数情况下不会产生严重的长期后果,但紫外线还可以诱导光化学反应。 这些可能导致色素沉着、红斑(晒伤)和(最重要的是)皮肤癌的变化——甚至可能在相当短的暴露后。

一些激光安全问题是由激光辐射的间接影响引起的:

  • 强烈的激光束可以焚烧材料,从而可能引发严重的火灾。
  • 特别是在激光材料加工中,有毒烟雾、灰尘或熔融材料的热液滴会影响附近的工人。 例如,切割金属件时会产生含有砷、铬或镍的烟雾,塑料部件(聚合物)会形成危险的有机物质。
  • 当高强度光束将某些目标加热到极高的温度时,会产生二次辐射(例如紫外线甚至X射线)。

危险的不仅仅是光

其他问题甚至与激光束无关:

  • 高电压用于激光电源(例如放电灯),在维护操作或电缆损坏时造成危险。
  • 一些激光系统含有危险化学品,例如某些激光染料。
  • 其他激光器包含玻璃管(例如弧光灯),玻璃管可能会爆炸或内爆,尤其是在任何处理过程中。

事实上,可能大多数激光事故的受害者都是受到这种危险(特别是电击)而不是激光辐射的伤害。

特别危险的情况

以下重要安全问题列表永远不完整,但旨在提高对众多可能危险的认识:

  • 如果工人可能接触内部部件或有缺陷的高压电缆,高压电源可能会很危险。
  • 一些激光器需要处理危险化学品,例如染料激光器中的致癌染料溶液。 其中一些溶液可以穿透皮肤,因此需要特别小心地处理。
  • 近红外激光束比具有相同功率水平的可见光危险得多,因为它们的辐射以与可见光相同的方式聚焦到视网膜,而人眼的眨眼反射(通常在强度太高时快速闭上眼睛的眼睑)是不活跃的。 此外,不可能发出警告,例如通过微弱的杂散光:当危险的光束向意外方向传播时,什么也看不到。
  • 紫外线不仅危害眼睛,还危害皮肤(见上文)。
  • 脉冲激光源,例如Q开关激光器或再生放大器,产生的脉冲峰值功率甚至比高功率激光器的平均输出功率高出许多数量级。 手持式微型激光的单个脉冲可以完全摧毁一只眼睛。
  • 在开放式激光设置中,寄生镜面反射(由设置的一部分或可移动的金属工具、表带、环等引起,但也由增透膜的残余反射率引起)可能会使危险光束离开设置,这可能会击中某人的眼睛。
  • 光纤,例如在不同房间之间传输高光功率,在破碎时可能会释放危险的辐射。 因此,大功率光缆需要特别保护和标记。
  • 高功率激光(例如功率在千瓦区域)不仅可以在短时间内损坏眼睛,还可以损坏皮肤,并且很容易引发火灾,例如当光束击中木材或塑料等材料时;还可能产生有毒烟雾。

通常不太危险的是以下情况:

  • 具有低功率可见光束的设置,其中人眼的眨眼反射可以提供足够的保护,防止偶尔暴露中等功率水平的眼睛
  • 在某些人眼安全的光谱区域(例如波长长于≈1.4μm)工作的光源,其中光被眼睛的晶状体吸收,因此无法到达(更敏感的)视网膜
  • 带联锁装置的全封闭激光装置,一旦打开外壳,即可自动关闭辐射源

安全等级

为了就适当的处理和所需的预防措施提供一些指导,激光设备被分配到不同的安全等级,其中1类是最不危险的(包含例如微瓦功率水平的激光器),4类是最危险的。 请注意,激光安全等级的分配不仅取决于激光功率、光束质量和激光波长,还取决于危险区域的可及性:即使是高功率激光器也可能处于安全等级 1,因为危险辐射不会离开完全封装的外壳。

激光安全等级的概念是根据一些发射限值对激光产品进行分类。 分类间接基于眼睛的一些暴露限值(见上文),但也考虑了一些最坏情况的假设,例如人与激光孔径的距离、暴露持续时间和光学仪器的可能使用。 因此,分类往往会高估某些风险,完整的安全评估必须考虑整个设置的细节及其使用方式。

表 1:国际激光安全等级,具有一些简化和近似的描述。有关详细信息,请参阅适用的激光安全标准文档。

安全等级 简化描述
1 在合理的使用条件下,可接触的激光辐射并不危险。
示例:0.2 mW 半导体激光管,全封闭 10 W Nd:YAG 激光器
1M 可接近的激光辐射是无害的,只要不使用光学仪器,例如可以聚焦辐射。
2 可及激光辐射仅限于可见光谱范围(400–700 nm)和1 mW可及功率。 由于眨眼反射,在有限曝光(长达0.25秒)的情况下对眼睛没有危险。
示例:某些(但不是全部)激光笔
2M 与第2类相同,但有额外的限制,即不得使用光学仪器。 功率可能高于1 mW,但可触及区域的光束直径足够大,可以将强度限制在短时间曝光的安全水平。
3R 可及的辐射可能对眼睛有危险,但最多可以具有 2 类(可见光辐射)或 1 类(其他波长)允许光功率的 5 倍。
3B 可接触的辐射可能对眼睛有危险,在特殊条件下对皮肤也有危险。 漫射辐射(例如从某些漫射目标散射)通常应该是无害的。 在可见光谱区域允许高达 500 mW。
示例:100 mW 连续波倍频 Nd:YAG 激光器
4 可及的辐射对眼睛和皮肤非常危险。 即使是漫反射的光也可能对眼睛有害。 辐射可能引起火灾或爆炸。
示例:10 W氩离子激光器、非封装设置中的 4 kW薄盘激光器

 

请注意,有不同的分类方案(例如国际和美国的),使用诸如 1 到 4 之类的类,但定义略有不同。 (美国体系使用I、IA、II、IIIA、IIIB 和 IV 类,类似于国际体系的第 1 至 4 类,但存在重大偏差。 特别重要的标准是

  • 国际电工委员会(IEC)的IEC 60825-1国际激光安全标准
  • 那些基于美国用户标准 ANSI Z-136(具有各种变体 Z-136。X,特别是Z-136.1,2007年修订)

IEC标准已被欧洲标准化组织完全采用为EN 60825-1,并在德国以DIN EN 60825-1等国家版本发布。 请注意,这些标准涵盖的不仅仅是定义安全等级;他们还确定了为安全使用此类激光产品而采取的措施。 还有一些政府法规,例如相对过时的21 CFR 1040.10,它仍然与美国相关,尽管IEC / EN标准现在也被接受,并增加了一些内容。

通常,激光产品的制造商有责任对产品进行分类并相应地为其配备警告标签。 但是,当用户修改激光产品时,分类可能会发生变化,然后用户负责重新分类。

还有其他光源的标准,例如DIN EN 62471“灯和灯系统的光生物安全性”。

名义危险区

最初,给定激光器设置所需的安全措施基本上仅由激光器的安全等级决定。 这种分类并不反映光束发散等细节,这可能与安全问题非常相关:强聚焦激光束可能非常发散,以至于在聚焦后的中等距离内,强度低于眼睛允许的曝光水平。 在这种情况下,人们有时会定义一个“名义危险区”(NHZ),在该区域内可能会超过安全暴露水平,以便对该区域而不是整个房间采取某些限制措施。

技术注意事项

常用的激光安全技术预防措施示例包括:

  • 使用激光安全眼镜保护眼睛,强烈吸收波长接近激光波长的辐射
  • 激光系统的全部或部分封装,最好使用吸收外壳材料,避免镜面反射
  • 危险工作区域周围的保护外壳,监控人员的存在,例如使用光幕、激光扫描仪或人流量统计器
  • 自动关闭激光或阻挡激光束的联锁装置,例如当保护盒或门打开时
  • 用于电源的钥匙操作开关,防止未经授权的使用
  • 书面警告(例如指示门后的激光类型)、警告灯(指示操作了危险的激光源)和自动门锁,防止人员进入危险区域
  • 光束转储(不仅用于主光束,还用于寄生反射),防止危险光束离开光学装置
  • 低功率可见导向光束等,标记危险的不可见激光束的路径

非技术性措施

仅靠技术措施一般不足以控制安全隐患。 因此,一些非技术措施非常重要:

  • 在发生任何不利的事情之前,必须仔细评估风险。 每次重要情况发生变化时,都需要重新评估它们,例如使用的设备、应用、人员和房间的细节。
  • 在此基础上,需要制定处理这些风险的合理办法。 这涉及实施技术措施(见上文)和建立适当的工作做法。 结果需要在书面安全法规中明确描述。

如果人们不知情,最好的规定可能是无用的。

  • 需要确保进行适当的安全教育,以便所有可能面临风险的人都能适当地了解风险和应对风险的正确方法。 由知识渊博的人进行的个人指导当然非常有价值,并应辅以其他培训材料,例如清晰书写的笔记,激光安全视频或DVD。
  • 所有责任都需要适当分配和明确界定。

建立一种精神也非常重要,这种精神激励所有员工认真对待安全问题,认识到对自己和同事的责任,提出切实可行的解决方案等。

激光安全法规

为某些生产设施制定激光安全法规是一项艰巨的任务,对于研究实验室来说,这甚至更加困难。 原因是存在部分冲突的目标:

  • 法规必须清晰易懂,供阅读者理解。
  • 规则应该是明智的,理想情况下是在所有可以想象的情况下:隐含的限制应该是将所有风险最小化,而不会与工作的实际目标直接冲突。
  • 这套规则应该是紧凑的,这样人们就可以被期望仔细阅读并记住它们。

最严格的规则不一定能实现最大的安全性!

显然,不可避免地涉及各种权衡,例如在紧凑性和对许多不同情况的适用性之间,或在安全性和生产率之间。 绝对优先考虑最大的安全性,而忽略生产力和类似的实际要求甚至无助于安全,因为它增加了法规被忽视或遗忘的风险。 分析现有危害并确定处理它们的最实用方法可能是一项艰巨的任务。

常见障碍

不幸的是,合理的激光安全法规要么没有到位,要么(更频繁地)在许多地方(如研发实验室)经常被忽视。 可能的原因(但不是很好的借口)是:

  • 缺乏关于激光安全问题的一般知识
  • 缺乏有关专业安全问题的可用信息,例如与锁模激光器的超短激光脉冲的潜在危险有关的信息(潜在危险仅由平均功率决定,还是由峰值功率和脉冲持续时间决定?),或对与烟雾相关的风险的认识
  • 意外影响,例如意外错位的光束、有毒物质的汽化、缺陷或安全设备设计不良等。
  • 对“低功率激光器”等标签的错误解释:10毫瓦近红外激光可能功率低,但对眼睛来说仍然非常危险!
  • 对风险的非理性评估和对日常工作的不恰当判断(“我们一直都是这样做的!
  • 人类普遍倾向于低估看不见的风险,特别是当它们长时间发生而没有明显影响时
  • 缺少安全装置(例如,在有访客的情况下激光安全眼镜数量不足)
  • 非常不方便、不舒服或其他不切实际的安全装置,例如激光护目镜不能长时间使用
  • 压力过大,无法快速产生结果
  • 荒谬的激光安全法规,破坏了遵守规则符合操作员自身利益的意识
  • 非常正式和抽象的规则,显然主要是为了避免老板的法律问题,而不是在现实生活中提供帮助
  • 不负责任的主管的疏忽和坏榜样,他们有时甚至嘲笑更负责任的人

由于这些因素很难(如果不是不可能的话)完全消除,完美的激光安全(使事故不可能)可能是不可能的。 然而,合理的法规可以大大降低风险,而不会对生产力产生太大影响。

要记住的一些准则:

  • 在事故发生之前(即工作开始之前),需要进行深思熟虑的风险评估和合理的法规。
  • 法规必须切实可行且令人信服,否则可能会被违反。 通过对工人施加不切实际和荒谬的规则来保持“安全”的一面将破坏对法规的尊重,因此可能会适得其反。
  • 必须为所有相关人员澄清所有责任。 仅指派一名激光安全官(可能作为替罪羊,没有足够的时间和权力来执行规则)是不够的。
  • 违反规则的愚蠢论点,例如“我们一直这样做”或“我知道其他人也这样做”的风格,必须被禁止。
  • 正式遵守既定规则是不够的——操作员必须在日常工作中保持风险意识。

参考文献

[1] International Electrotechnical Commission (IEC), origin of international laser safety standards: IEC 60825-1 (“Safety of laser products – Part 1: Equipment classification, requirements and user's guide”) and IEC-60825-2 (“Safety of laser products – Part 2: Safety of optical fibre communication systems (OFCS)”), IEC, Geneva
[2] American National Standards Institute (ANSI), http://www.ansi.org/, origin of the American Z-136 safety standard series, in particular the important Z-136.1
[3] Laser Institute of America on laser safety, http://www.lia.org/subscriptions/safety_bulletins
[4] Occupational Safety & Health Administration, U.S. department of labor, “Technical Manual on Laser Hazards”, http://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iii/otm_iii_6.html
[5] J. Krüger and C. Spielmann, “Femtosecond laser technology in use: safety aspects”, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/latj.200790209

方法

作          者: 泮桥成像光电商城

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