|
Читайте также: |
З моменту появи перших лазерів було звернуто увагу на здатність генеруємого лазерами випромінювання викликати негативний вплив на організм людини. Дія лазерного випромінювання може призводити до порушення життєдіяльності як окремих органів, так і всього організму в цілому. Численні медичні експерименти показали, що під дією лазерного випромінювання на клітки, тканини і органи живого організму в них виникають гістохімічні та біохімічні зміни, а також спостерігаються різні патофізіологічні зміни. Вважається встановленим, що дія лазерного випромінювання на біологічні об'єкти відрізняється від дії інших шкідливих фізичних і хімічних факторів.
Розрізняють три стадії впливу випромінювання на складні біологічні структури: фізичну, фізико-хімічну та хімічну.
На першій стадії відбувається елементарна взаємодія випромінювання з речовиною. Характер взаємодії залежить від анатомічних, оптико-фізичних і функціональних особливостей опромінюваної тканини, а також від енергетичних та просторових характеристик випромінювання, найбільш важливе значення з яких мають довжина хвилі та інтенсивність випромінювання. На цьому етапі спостерігаються такі фізичні процеси, як нагрівання речовини, фазові переходи в матеріалі клітки, кавітація в фізіологічних рідинах, перетворення енергії випромінювання в енергію механічних коливань, іонізація атомів і молекул та ін. Деякі з цих процесів мають порогові значення випромінювання або енергії квантів випромінювання. Наприклад, кавітація і фазові переходи відбуваються тільки в тому випадку, коли інтенсивність випромінювання достатня для досягнення в тканині критичної температури, а іонізація атомів та молекул – коли енергія квантів більше енергії хімічних зв'язків речовин, що входять до складу тканин.
У випадку неперервного лазерного випромінювання переважає, в основному, тепловий механізм, наслідком якого є коагуляція білка, а при великих потужностях - випаровування біотканини. В імпульсному режимі з тривалістю менше 10-2 с механізм впливу лазерного випромінювання на речовину стає більш складним, що пов'язано з перетворенням енергії випромінювання в енергію механічних коливань середовища, внаслідок чого можуть виникати, наприклад, ударні хвилі.
На другій стадії (фізико-хімічній) з іонів і збуджених молекул утворюються вільні радикали, які мають високу здатність до хімічних реакцій.
На третій стадії вільні радикали реагують з молекулами речовини, яка входить до складу живої тканини. При цьому виникають ті молекулярні ушкодження, які в подальшому визначають загальну картину впливу лазерного випромінювання на опромінені тканини й організм в цілому.
Лазерне випромінювання викликає загрозу головним чином для тих тканин, які безпосередньо поглинають випромінювання, тому з позиції оцінки потенціальної небезпеки розглядається, в першу чергу, дія лазерного випромінювання на шкіру та органи зору.
Очі найбільш чутливо реагують на дію лазерного випромінювання. Під час взаємодії з елементами оптичної системи ока лазерне випромінювання може викликати їхнє ушкодження. Ступінь такого ушкодження головним чином залежить від таких фізичних параметрів, як час опромінювання, щільність потоку енергії, довжини хвилі та виду випромінювання (імпульсне або неперервне), а також від індивідуальних особливостей ока. Найбільший вплив на око людини викликає лазерне випромінювання, довжина хвилі якого лежить в спектральному діапазоні 0,4 - 1,4 мкм, оскільки для електромагнітних випромінювань з довжинами хвиль, коротшими за 0,4 мкм та довшими за 1,4 мкм, оптичні середовища ока є непрозорими, а тому не відбувається фокусування випромінювання.
Для лазерного випромінювання з довжиною хвилі 0,4-1,4 мкм критичним елементом органу зору є сітківка. Вона є функціонально найбільш важливим елементом ока, має високу чутливість до електромагнітних коливань видимої області спектра і характеризується великим коефіцієнтом поглинання електромагнітних хвиль видимої, інфрачервоної та ближньої ультрафіолетової областей.
Ступінь ушкодження очей може змінюватися від слабких опіків сітківки, які супроводжуються незначними або повністю відсутніми змінами зорової функції, до серйозних ушкоджень, які призводять до погіршення зору і навіть до повної втрати його.
Тривале опромінювання сітківки у видимому діапазоні на рівнях, не набагато менших за поріг опіку, може викликати незворотні зміни в ній. Тривале опромінювання в діапазоні ближнього інфрачервоного випромінювання може призвести до помутніння кришталика. Ушкодження сітківки обов'язково супроводжується порушенням функцій зору. Клітки сітківки після ушкодження не поновлюються.
Ушкодження сітківки під впливом лазерного випромінювання можна поділити на дві групи. До першої відносяться тимчасові порушення зорової функції ока без видимих змін дна ока. Прикладом такого ушкодження є засліплення від яскравого спалаху. До другої відносяться ушкодження, які викликають руйнування сітківки.
Засліплення від яскравого спалаху є найбільш слабким проявом уражаючої дії лазерного випромінювання. Воно має оборотний характер і виражається у виникненні “сліпої плями” в полі зору. Результатом такого засліплення є розпадання зорового пігменту в фоторецепторах сітківки під дією видимого світла великої яскравості. Засліплення відбувається під час спостерігання джерела яскравого світла, яке створює на роговиці щільність випромінювання порядку 150 Вт/см2. Відновлення зорового пігменту може іноді відбуватися через кілька хвилин.
Дія на око надпорогових інтенсивностей випромінювання викликає тепловий опік з незворотними ушкодженнями сітківки.
В ролі критеріїв небезпеки при нормуванні однократного впливу лазерного випромінювання приймають мінімальні порогові зміни в опромінених тканинах (ушкоджуюча дія). Значення гранично допустимого рівня (ГДР) нормованого параметра при опроміненні тканин встановлюється рівним відношенню порогового рівня ушкоджень, при якому в 50 % випадків опромінення спостерігаються порогові зміни, до деякого коефіцієнта безпеки k > 1. Час реакції зіниці на появу яскравого об’єкта в полі зору складає близько 0,1 с.
Таким чином, якщо випромінювання лазера лежить в спектральній області, яка небезпечна для ока, а його інтенсивність достатня для того щоб викликати небезпечні дифузні відбиття, імовірність ушкодження ока стає великою. В таблиці 1 наведено гранично допустимі рівні лазерного випромінювання для прямого опромінювання очей [2].
| Спектральна область | Довжина хвилі, нм | Час опромінювання, с | Граничне значення на 1 см2 |
| Видиме світло | 400 – 700 400 – 700 400 –549 550 – 700 550 – 700 400 - 700 | 10-9 – 1,8·10-5 1,8·10-5 – 10 10 -104 10 – Т1 Т1 - 104 104 - 3·104 | 5·10-7 Дж 1,8 t 5/4 мДж 10 мДж 1,8 t 5/4 мДж 10 СВ мДж СВ мкВт |
| ІЧ-область | 700 – 1059 700 - 1059 1060 – 1400 1060 – 1400 700 - 1400 | 10-9 – 1,8·10-5 1,8·10-5 - 103 10-9 – 10-4 10-4 – 10-3 103 – 3·104 | 5СА·10-7 Дж 1,5 САt 5/4 мДж 5·10-6 Дж 9 t 5/4 мДж 320 СА мкВт |
Примітка. СА = exp [(l-700)/224]; СВ = 1 для l = 400-550 нм;
СВ = 10[0,015(l-550)] для l = 550-700 нм, Т1 = 10 с для l = 400-550 нм;
Т1 = 10·10[0,02(l-550)] для l = 550-700 нм.
На рис.1 наведено графіки залежності необхідної енергії лазерного випромінювання від відстані для зворотного та незворотного впливів на органи зору людини.
Рис. 1
Відповідно до стандартів з лазерної безпеки, всі лазери об’єднані в 4 класи за ступенем небезпеки:
клас І - лазери, інтенсивність випромінювання яких безпечна для очей;
клас ІІ - лазери з вихідною потужністю нижче 1 мВт, представляють невелику небезпеку органів зору;
клас ІІІ – лазери помірної небезпеки, що виявляють загрозу лише при безпосередньому попаданні випромінювання в око;
клас ІV – лазери, які становлять велику небезпеку не тільки для безпосередніх спостережень випромінювання, але і при попаданні дифузно розсіяного випромінювання на шкіру, тобто такі, що викликають променеву небезпеку. Сюди ж відносяться неперервні лазери потужністю > 0,5 Вт.
Фотоелектронні прилади (ФЕП), які перетворюють світлову інформацію в електричний сигнал, є головними елементами оптико-електронних пристроїв, зокрема, тих, що використовуються в системах спостереження та контролю. В значній мірі саме вони визначають тактико-технічні дані апаратури, такі як об'єм та якість передаваємої інформації, спектральну чутливість, виявлювальну здатність, точність, ресурс роботи і т.д.
При розгляді питань впливу лазерного випромінювання на оптико-електронну апаратуру слід враховувати спектральні характеристики приймачів випромінювання. Серед великої кількості напівпровідникових матеріалів, які використовуються для виготовлення сучасних приймачів фотоелектронних приладів, найбільш практичне застосування знайшли такі матеріали та сполуки, як телурид ртуті-кадмію, кремній, германій, фосфід-арсенід індія-галія, сульфід свинцю. Діапазон спектральної чутливості цих матеріалів наведено на рис. 2. При роботі у видимій області спектра застосовуються переважно кремнієві фотоприймачі, технологія виготовлення яких відносно проста та добре відпрацьована.
Рис. 2
Вплив лазерного випромінювання на оптико-електроні прилади залежить від рівня опромінювання, від розміру чутливої поверхні приймача, яка піддається впливу випромінювання, від співпадіння області спектральної чутливості приймача із довжиною хвилі лазерного випромінювання, від наявності можливостей запобігати виходу з нормального режиму роботи у випадках «пересвічування» і т.д. Параметри лазерного випромінювання, яке потрапляє до об'єкта, залежать від розходимості лазерного випромінювання, від відстані між об'єктом та джерелом випромінювання та від стану середовища, в якому поширюється випромінювання.
В результаті поширення оптичного випромінювання в реальному середовищі відбувається зміна енергії у бік зменшення та зміна просторово-часових характеристик випромінювання. Енергетичні втрати обумовлені молекулярним поглинанням та молекулярним і аерозольним розсіюванням. Можливі й інші причини енергетичних втрат.
Для молекулярного поглинання в атмосфері характерна явно виражена залежність від складу атмосфери, довжини хвилі та ширини спектра випромінювання. Це викликано тим, що різні гази мають характерні для них лінії та смуги поглинання, і ступінь поглинання залежить від того, наскільки спектральний склад випромінювання відповідає спектру поглинання, як ці спектри перекриваються один одним.
Слід враховувати, що спектр випромінювання лазера являє собою надзвичайно вузькі спектральні лінії, а спектр поглинання газів складається з вузьких ліній поглинання. Наявність вузьких, але інтенсивних ліній поглинання не відбивається на поширенні широкосмугового випромінювання, проте при співпадінні зі спектральною лінією випромінювання лазера може відбутися сильне поглинання. При оцінці поглинання випромінювання лазерів необхідно брати до уваги присутність в атмосфері таких газів, як метан СН4, окис азоту NO2, окис вуглецю СО та ряду інших, оскільки вони можуть стати причиною сильного послаблення монохроматичного випромінювання. На рис. 3 наведено спектри пропускання атмосфери в спектральному діапазоні від 0,7 мкм до 6,0 мкм.
Рис. 3
Причиною розсіювання світла є оптична неоднорідність середовища. В залежності від співвідношення між довжиною хвилі світла та лінійними П’ятн.розмірами неоднорідності, інтенсивність розсіювання може бути різною. Якщо розміри неоднорідності значно менші за довжину хвилі, то частка світла, розсіяна неоднорідністю, дуже мала. Із зростанням розміру неоднорідності її розсіюючі властивості виявляються в більшій мірі.
Оптичні неоднорідності можуть мати різноманітну природу. В одних випадках неоднорідності утворюються сторонніми тілами в середовищі (аерозолями - частинками пилу, диму, краплями води - в атмосфері; кульками повітря - у воді). В інших випадках середовище може не мати сторонніх домішок, проте внаслідок флуктуацій щільності речовини та орієнтацій молекул у ній виникають «загущення» та «розрідження» показника заломлення. На таких неоднорідностях виникає молекулярне розсіювання (розсіювання Релея). Оскільки коливання молекул існує при будь-яких температурах, то молекулярне розсіювання має місце навіть в абсолютно чистому середовищі.
Об'єкт, що знаходиться безпосередньо в конусі вузько направленого променя лазера, сприймає випромінювання, щільність якого Y складає:
Y = 4 Р k / p (d0 + r j)2,
де Р - вихідна потужність, Вт, (або енергія, Дж) випромінювання; k - коефіцієнт послаблення випромінювання на шляху від лазера до об'єкта; d0 - діаметр вихідного вікна лазера, см; r - відстань від вихідного вікна лазера до об'єкта, см; j - кут розходимості променя, рад.
Коефіцієнт k залежить від стану повітряного середовища і дорівнює k = е-sr, де s - послаблення повітряним середовищем, яке, у свою чергу, пов'язане з дальністю видимості V співвідношенням s = 3,9/V.
Типові значення розходимостівипромінювання для різних типів лазерів такі: газового He-Ne - g = 0,2...1 мрад, газового СО2 - g = 1,1...4 мрад, твердотільного рубінового та на склі з неодимом - g = 0,5...10 мрад, на YAG - g = 2...20 мрад, напівпровідникового GaAs - g = 20...500 мрад. Розходимість та спектр випромінювання залежать від числа одночасно збуджених мод резонатора. Якщо подавитипоперечні моди, окрім основної - повздовжньої, то можна зменшити розходимістьлазера до дифракційної межі. Існує мінімальне значення кутової розходимості, яке визначається дифракцією:
gдиф =1,22l/dл,
де dл - діаметр поперечного перерізу пучка лазерного випромінювання. При наявності на виході лазера оптичної системи розходимість лазерного випромінювання визначається параметрами цієї системи.
Аналіз різних факторів, які впливають на параметри лазерного випромінювання при проходженні у реальному середовищі, показує, що за сприятливих погодних умов (при відсутності атмосферних опадів і т.і.) найбільший внесок у зменшення щільності лазерного випромінювання робить геометричне послаблення, яке неминуче виникає внаслідок існування розходимості випромінювання. Це наглядно видно з рис. 4, на якому наведено графіки залежності щільності лазерного випромінювання від відстані до об'єкта при дальності видимості 1 км (крива a), 5 км (крива b) та при відсутності втрат (ідеальний варіант) на поглинання і розсіювання (крива c) при розходимості лазерного випромінювання 0,2×10-3 рад, а також при відсутності втрат на поглинання і розсіювання при розходимості лазерного випромінювання 1×10-3 рад (крива d).
Рис. 4
Потік випромінювання після проходження через послаблююче середовище сприймається оптичною системою оптико-електронного пристрою, що виконує дві головні функції: перша функція полягає в тому, щоб зібрати можливо більший потік випромінювання і з мінімальними втратами відправити його на приймач; друга функція оптичної системи полягає в оптичній фільтрації сигналу з метою збільшення відношення величини сигналу і шуму фона. Розрізняють два види оптичної фільтрації. Спектральна фільтрація здійснюється за допомогою оптичних фільтрів (абсорбційних, дисперсійних, відбиваючих та інтерференційних) і має за мету обмежити випромінювання, яке падає на приймач, певним інтервалом довжин хвиль. Фільтри мають змогу обмежувати спектральний діапазон пропускання з однієї сторони, «відрізаючи» короткохвильове або довгохвильове випромінювання, або з двох сторін, виділяючи певну смугу. Просторова фільтрація здійснюється просторовими фільтрами (діафрагмами, щілинами, растрами) і призначена для виділення випромінювання цілі з випромінювання фона за рахунок різниці розмірів та форми відповідних цілей та елементів фона.
Дата добавления: 2015-10-26; просмотров: 154 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Тема: « Лазер и его применение для оценки размеров эритроцитов». | | | Laser physics |