Wpływ promieniowania optycznego na organizm człowieka

W skład wszystkich laserów wchodzą trzy podstawowe elementy. Są to: Ośrodek czynny, układ pompujący czyli źródło energii oraz komora rezonansu optycznego. Ponadto można przyłączyć elementy takie jak: zwierciadła, soczewki, przesłony czy pochłaniacze. Nie są to jednak elementy wymagane do działania lasera. Służą jedynie zwiększeniu mocy wiązki laserowej czy też nadaniu wiązce specjalnego kształtu.

Ośrodek czynny lasera

W ośrodku czynnym lasera dochodzi do zwiększenia liczby atomów czy cząsteczek w stanie wzbudzonym do tych w stanie podstawowym. Dzięki temu możliwa jest emisja wymuszona. Fotony , które na początku są emitowane samoistnie wpływają na atomy i cząsteczki w stanie wzbudzonym wymuszając na nich emisję fotonu. Na tym właśnie polega efekt wzmacniania światła przez wymuszoną emisje promieniowania. Od angielskiej nazwy tego zjawiska pochodzi właśnie termin LASER.

czytaj dalej ↓

Układ pompujący

Zadaniem układów pompujących jest przeniesienie elektronów na wyższe poziomy energetyczne w atomach i cząsteczkach. To właśnie dzięki tym układom dochodzi do wspomnianego wcześniej odwrócenia zwykłego porządku czyli zwiększenie liczby stanów wzbudzonych. Stan ten warunkuje czynność lasera.

W różnych typach laserów stosowane są rozmaite rodzaje układów pompujących. Jednym z nich może być pompowanie optyczne. W tej metodzie wykorzystuje się silne źródło światła, którym może być inny laser bądź też ksenonowa rurka błyskowa.

Innym rodzajem pompowania jest pompowanie wykorzystujące kolizje elektronowe. Efektowi temu towarzyszy przepływ prądu przez ośrodek czynny lasera. Może to być ośrodek gazowy bądź też złącze półprzewodnikowe. Możliwe jest także pompowanie wykorzystujące reakcje chemiczne. W takich układach wykorzystywana jest energia, która wydziela się w wyniku tworzenia się i pękania wiązań chemicznych w molekułach. Pompowanie chemiczne jest wykorzystywane np. w laserach , których ośrodek czynny utworzony jest z fluorku wodoru lub fluorku deuteru.

Rezonansowa komora optyczna

Komora ta zostaje utworzona przez układ zwierciadeł, które są umieszczane na końcach ośrodka czynnego lasera. Dzięki temu wiązka promieniowania laserowego może ulegać odbiciu. Umożliwia to kilkukrotne przechodzenie wiązki laserowej przez ośrodek czynny. Powoduje to zwiększenie liczby aktów wymuszonej emisji promieniowania. Jedno ze zwierciadeł całkowicie odbija wiązkę natomiast drugie tylko częściowo odbija promieniowanie. Natomiast część padającej wiązki przy każdym odbiciu przenika poza ośrodek czynny lasera. O tym jaki kształt przybiera ostatecznie emitowana wiązka promieniowania zależy między innymi od tego w jakiej odległości znajdują się zwierciadła a także od wielkości krzywizny stopnia wyrównania.

Lasery można klasyfikować biorąc pod uwagę różne parametry. Biorąc pod uwagę typ ośrodka czynnego lasery można podzielić na:

- lasery ciała stałego - zawierają ośrodki szklane lub krystaliczne, ośrodki te są wzbogacane przez atomy czynne

- lasery gazowe- ośrodek czynny stanowi gaz lub mieszanina kilku gazów, mogą to być także pary metali

- lasery półprzewodnikowe

- lasery ciekłe - ośrodek czynny ma postać cieczy, może to być np. roztwór barwnika organicznego.

W przypadku laserów posiadających ośrodki czynne w postaci ciała stałego lub cieczy wykorzystuje się zazwyczaj pompowanie optyczne. Natomiast dla laserów gazowych powszechne jest użycie pompowania kolizyjnego. Pompowanie oparte na reakcjach chemicznych jest stosowane dla niektórych typów laserów cieczowych i gazowych.

Klasyfikując lasery można także brać pod uwagę jakość czasową działania lasera. Można tutaj wyróżnić lasery , które działają w sposób ciągły. Oznacza to, że emitowana przez nie wiązka promieniowania ma stałe w czasie natężenie. Inne lasery charakteryzują się zmiennym w czasie sposobie działania. Są to lasery impulsowe. Różnią się one między sobą częstością wytwarzania impulsów czyli liczbą impulsów generowanych w danej jednostce czasu.

Poniżej przedstawiono kilka przykładów laserów wraz z długościami fali emitowanego promieniowania oraz zastosowaniem tych laserów.

- laser argonowy - długość fali : 458 - 515 nm, używany jako narzędzie, w holografii, do fotokoagulacji siatkówki

- laser gazowy z dwutlenkiem węgla - długość fali : 10.6
m, używany do obróbki materiałowej, jako tzw. radar optyczny do oceny odległości, jako narzędzie chirurgiczne]

- laser galowo - arsenowy - długość fali : 850 - 950 nm, używany do oceny odległości, w łączności

- laser helowo - neonowy - długość fali : 632.8 nm, używany do wszelkiego rodzaju pomiarów, oceny odległości, także w holografii i w łączności

- laser rubinowy - długość fali: 694.3 nm, używany w holografii, do obróbki materiałów, do fotokoagulacji siatkówki, do oceny odległości

Własności wiązki laserowej

- monochromatyczność

- duża gęstość mocy

- równoległość

- spójność (koherencja)

- polaryzacja liniowa

1.Monochromatyczność

Termin ten sugeruje, że chodzi o emitowane promieniowanie elektromagnetyczne, które składa się dokładnie z jednej częstotliwości , której odpowiada określona długość fali. Okazuje się jednak, że nigdy nie udaje się uzyskać tak dokładnego promieniowania. Wiadomo bowiem, że podczas przejścia atomów ze stanu wzbudzonego na niższy poziom energetyczny emitowane jest promieniowanie elektromagnetyczne. Jednak nie ma ono określonej wartości częstotliwości , ale zawiera się w pewnym przedziale częstotliwości. Dzieje się tak ponieważ zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga nie ma możliwości dokładnego oznaczenia energii poziomów energetycznych. W związku z tym wprowadza się pojecie naturalnej szerokości linii widmowej promieniowania laserowego. Tym jaki zakres częstotliwości można uzyskać w przypadku danego lasera decyduje sposób generacji tego promieniowania oraz rezonator optyczny. I tak np. w laserze rubinowym szerokość linii widmowej nie przekracza na ogół 0,01 mm.

2. Gęstość mocy

Gęstość mocy promieniowania laserowego oznacza stosunek mocy całkowitej promieniowania do powierzchni przez którą ona przechodzi . Różne typy laserów mogą mieć różne gęstości mocy. I tak np. dla lasera helowo - neonowego ta gęstość jest rzędu W/cm
. Ale już dla lasera gazowego o działaniu ciągłym , którym jest np. laser CO
gęstość mocy może wynosić 100 W/cm
.

Aby zwiększyć gęstość mocy emitowanego promieniowania powszechne jest używanie soczewek skupiających. Dzięki nim w ognisku dla lasera helowo - neonowego może ona osiągnąć wartość nawet 10
W/cm
. Dużo większe gęstości mocy charakteryzują lasery impulsowe. Przykładem takiego lasera jest laser rubinowy, dla którego gęstość mocy sięga 10
W/cm
.

Istnieje jeszcze pojęcie spektralnej gęstości mocy. Jest to moc wiązki promieniowania laserowego przypadająca na jednostkę powierzchni i jednostkę przedziału częstotliwości. Dużą spektralna gęstością mocy maja lasery helowo - neonowe.

3.Równoległość

O kącie rozbieżności wiązki laserowej decyduje rodzaj rezonatora optycznego. Bowiem rozbieżność wiązki wynika z uginania się fali elektromagnetycznej na apreturze układu optycznego. Jeśli optyczna komora rezonansowa wykonana jest z dwóch zwierciadeł płaskich wówczas rozbieżność wiązki będzie miała najmniejszą wartość.

4.Spójność (koherencja)Koherencja

Fale są spójne wtedy jeżeli charakteryzują się stałą w czasie różnicą faz. Daje im to zdolność do interferowania. Źródło, które emituje spójne promieniowanie również nosi nazwę spójnego.

Możemy mówić o spójności czasowej i spójności przestrzennej. Przez spójność czasowa rozumie się zdolność do interferencji dwóch fal świetlnych, które wychodzą w tym samym kierunku z tego samego źródła promieniowania, ale w pewnym odstępie czasowym.

Natomiast przez spójność przestrzenną rozumie się zdolność do interferencji fal świetlnych emitowanych przez źródło rozciągłe pod warunkiem istnienia spójności czasowej.

5.Polaryzacja liniowa

Warunkiem uzyskania całkowicie liniowo spolaryzowanej wiązki promieniowania laserowego jest odpowiednia konstrukcja lasera.

Wraz z konstrukcją pierwszych laserów pojawił się problem wpływu promieniowania optycznego na człowieka. Przypomnijmy, promieniowaniem optycznym nazywa się umownie promieniowanie z zakresu długości fal od 100 nm do 1 mm. Obejmuje zatem promieniowanie ultrafioletowe, widzialne oraz podczerwone.

Głównym, naturalnym źródłem promieniowania optycznego jest Słońce. Wśród źródeł sztucznych wyróżnia się źródła laserowe i nielaserowe. Niekiedy bardzo trudno jest ocenić ryzyko wynikające z narażenia na promieniowanie emitowane przez źródło nielaserowe. Jest to tym trudniejsze jeśli takie źródło emituje promieniowanie z całego zakresu długości fal promieniowania optycznego. Wówczas dla każdego podzakresu należy zagrożenie rozpatrywać oddzielnie a następnie spojrzeć na zagrożenie łączne od całego zakresu.

Źródła promieniowania optycznego klasyfikuje się w zależności od typu materiału, który emituje promieniowanie, typu urządzenia lub też mechanizmu emisji promieniowania.

Wyróżnia się następujące kategorie źródeł promieniowania optycznego:

1. światło słoneczne

2. lampy

3. lasery

4. inne źródła żarzeniowe

Do najbardziej rozpowszechnionych źródeł promieniowania optycznego należą tzw. ciała żarzeniowe. Wraz ze wzrostem temperatury ciała rośnie ilość emitowanego promieniowania. Zakres emitowanej długości fali także jest uzależniony od temperatury. I tak np. jeśli temperatura takiego ciała wynosi około 310 K czyli 37 stopni C wówczas emitowane jest promieniowanie głównie z zakresu dalekiej podczerwieni. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury ciała będzie rosła ilość fotonów o większych energiach. Jednak zawsze emitowane są fotony z szerokiego zakresu energii. Teoretycznie rzecz biorąc źródłu żarzeniowemu powinno odpowiadać widmo dla ciała doskonale czarnego. Jednak jak pokazuje praktyka nie ma takiego materiału, który emitowałby idealnego widma ciała doskonale czarnego. Bardzo zbliżone widma można jedynie uzyskać dla takich materiałów jak stały wolfram lub też niektóre stopione metale.

Natomiast inne ciała emitują już widma wyraźnie odbiegające od tego teoretycznego. Można tu wymienić chociażby łuki węglowe czy też lampy gazowe i lampy wyładowcze.

Zanim został wynaleziony laser zagrożenie ze strony promieniowania optycznego wiązało się z narażeniem na skóry o oczu na promieniowanie ultrafioletowe, o długościach fali poniżej 320 nm.

Na podstawie badań i obserwacji stwierdzono, że szkło powoduje znaczne osłabienie promieniowania z zakresu widmowego od 100 do 300 nm. Stąd właśnie wzięła się zasada, żeby źródła promieniowania optycznego zamykać w obudowach wykonanych właśnie ze szkła lub też plastyku lub innym pochłaniającym to promieniowanie materiale.

Badając wpływ promieniowania optycznego na organizm człowieka szczególnie skoncentrowano się na skórze oraz oczach. Dzieje się tak ponieważ promieniowanie optyczne nie wnika na duże głębokości do wnętrza ciała człowieka więc nie ma wpływu np. na narządy wewnętrzne.

W wyniku ostrego działania światła na oczy może dojść do schorzenia, które określa się nazwą "światłopochodne zapalenie rogówki". Inne schorzenia do których może dojść to termiczne i fotochemiczne uszkodzenia siatkówki. W przypadku działania takiego promieniowania na skórę może oczywiście dojść do poparzeń.

Wymienione wyżej choroby występują natychmiast lub w niedługim czasie po zadziałaniu promieniowania. Natomiast do skutków odległych można zaliczyć zmiany w soczewce oka prowadzące w konsekwencji do zaćmy, zmiany zwyrodnieniowe siatkówki, przyspieszone starzenie skóry oraz nowotwory skóry.

Skutki działania całego promieniowani optycznego na organizm ludzki dzieli się na trzy grupy. Są to więc skutki: termiczne, fotochemiczne oraz bezpośredni wpływ pola elektrycznego.

Skutki termiczne można rozpatrywać dla promieniowania z zakresu podczerwieni oraz początku zakresu światła widzialnego. Skutki fotochemiczne są typowe dla promieniowania ultrafioletowego oraz światła widzialnego.

Jeśli organizm zostanie poddany działaniu ostrych impulsów termicznych, których czas trwania jest rzędu nanosekund wówczas może dochodzić do mechanicznego uszkadzania tkanek organizmu.

Jeśli czas trwania takiego impulsu jest krótszy od 1 ns wówczas do uszkodzeń dochodzi na skutek bezpośredniego oddziaływania pola elektrycznego na tkanki.

Ze względu na duże rozpowszechnienie w przemyśle urządzeń emitujących promieniowanie optyczne z zakresu UV- C i UV - B o dużym natężeniu wzrosło zagrożenie uszkodzeń rogówki. Ryzyko wzrasta jeszcze gdy takie źródła zostają włączone w układ optyczny zawierający elementy przepuszczające bądź odbijające promieniowanie UV. Przykładem czynności gdzie narażenie na promieniowanie UV jest ogromne może być spawanie.

W ostatnich latach zaczęła upadać teza, ze promieniowanie przemysłowe, z zakresu widzialnego nie jest w stanie uszkodzić siatkówki i naczyniówki. Rzeczywiście tak było dawniej. Organizm bowiem potrafi bronić się światłem o dużej jaskrawości. Do mechanizmów obronnych należy chociażby odruch mrugania czy odwracania głowy od źródła światła. Jednak w ostatnich kilkudziesięciu latach zaczęto stosować w przemyśle źródła światła o ciągle wzrastającym natężeniu. Pojawiło się więc potencjalne ryzyko uszkodzenia naczyniówki i siatkówki. Wyniki pierwszych badań wskazują, że faktycznie do takich uszkodzeń dochodzi w wyniku długotrwałego narażenia na promieniowanie.

Gdy powszechnie zaczęły być stosowane źródła laserowe wówczas obawa przed emitowanym przez nie promieniowaniem spowodowała , że zostały opracowane standardy techniczne i ograniczenia dotyczące narażenia ludzi na to promieniowanie.

Nie ma natomiast żadnych wytycznych dotyczących ochrony zdrowia i zasad bezpieczeństwa dotyczących lamp i innych nielaserowych źródeł promieniowania optycznego.

Poniżej przedstawiono kilka przykładów obejmujących źródła narażenia na promieniowanie optyczne oraz ewentualne skutki działania tego promieniowania na organizm ludzki i osoby narażone na to promieniowanie:

• światło słoneczne - skutkiem działania może być poparzenie słoneczne, zaćma, zapalenie siatkówki, nowotwór skóry. Osobami szczególnie narażonymi są ludzie , którzy pracują na wolnym powietrzu czyli np. rolnicy, budowlańcy. Niemniej jednak potencjalne zagrożenie dotyczy nas wszystkich.

• lampy łukowe - w wyniku działania promieniowania tej lampy może dojść do zapalenia rogówki , uszkodzenia siatkówki, rumienia , nowotworu skóry. Grupy potencjalnie narażone to pracownicy laboratoriów optycznych czy operatorzy kamer drukarskich.

• lasery argonowe - emituje światło z zakresu widzialnego, które może być przyczyną uszkodzenia siatkówki czy też miejscowego poparzenia skóry. Osobami z grupy ryzyka są pracownicy laboratoriów, personel medyczny czy też wszyscy którzy obserwują pokazy laserowe.

Polecamy prace o podobnej tematyce

	Rewolucyjny wpływ przyrządów optycznych na nasz świat Laser - jak to działa? Laser Laser Laser. Charakterystyka wiązki laserowej

Polecamy na dziś

	Rodzaje zwierciadeł Optyka Soczewki, rodzaje i budowa Budowa i działanie lunet i mikroskopów Zwierciadła - jak powstaje obraz? Oko i zasada jego działania. Narzędzia optyczne Załamanie światła, pryzmat, soczewki Soczewki Całkowite wewnętrzne odbicie, jego wykorzystanie Optyka - najważniejsze wzory i zagadnienia

---