WYŻSZA SZKOŁA ZARZĄDZANIA

OCHRONĄ PRACY

w Katowicach

WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH

ZARZĄDZANIE I INŻYNIERIA PRODUKCJI

BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY

SPRAWOZDANIE DO ĆWICZENIA NR 1

Temat: Ocena narażenia na promieniowanie laserowe

Prowadzący; Wykonawcy:

Prof. nadzw. dr hab. H. Passia Jeremi Gierula

Kazimierz Pławszewski

Łukasz Furmańczyk

Mateusz Horągiewicz

Joanna Juskowiak

Remigiusz Juskowiak

Arkadiusz Białobrzeski

Bogdan Chojnacki

` Monika Łobień - Pawlas

Katowice 2012

1. Wprowadzenie.

LASER - (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania). Pierwszy laser zbudowany został dopiero w 1960 roku przez T. Maimana.

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii i częstotliwości

Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny (aktywny), rezonator optyczny i układ pompujący. Układ pompujący wytwarza w ośrodku czynnym, umieszczonym wewnątrz rezonatora optycznego, odwrócenie obsadzeń. Rezonator jest zbudowany z dwu równoległych, płaskich lub sferycznych zwierciadeł o dużym współczynnik odbicia i możliwie znikomej absorpcji. W praktyce stosuje się wielowarstwowe lustra dielektryczne , które składają się z nieparzystej liczby na przemian ułożonych warstw dielektryków o dużym i małym współczynniku załamania i grubości l/4 (l - długość fali generowanego promieniowania).

Ogólny schemat budowy lasera.

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w półprzewodnikach.
Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.

Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

Lasery półprzewodnikowe, czyli kwantowe generatory optyczne są laserami złączowymi, w których ośrodkiem czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik. Inwersję obsadzeń poziomów energetycznych, (inaczej pompowanie) uzyskuje się poprzez wstrzykiwanie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. 
Rezonator czyli wnęka ma najczęściej kształt prostopadłościanu o rozmiarach rzędu ułamka milimetra. Sprzężenie optyczne uzyskuje się dzięki parze zwierciadeł prostopadłych do płaszczyzny obszaru czynnego (rezonator Fabry'ego-Perota) lub dzięki specjalnie pofałdowanej powierzchni równoległej do tego obszaru (lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB -Distributed FeedBack). Obszar czynny leży w płaszczyźnie złącza p-n i jest zwykle ograniczony do wąskiego paska.

Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć odpowiednią wartość zwaną prądem progowym I_th.

Najprostsza budowa lasera półprzewodnikowego

Najczęściej stosuje się lasery gazowe :

• helowo-neonowy (He-Ne), o długości generowanego promieniowania l = 362,8 nm;

• argonowy , l = 514,5 nm i 488 nm;

• CO2 , l = 10,6 nm .

Lasery krystaliczne - lasery na ciele stałym; w którym ośrodek optycznie czynny jest kryształem (Al2O3, CaF2, YAG) domieszkowanym jonami pierwiastków ziem rzadkich (Nd3+, Er3+) lub żelazowców (Cr3+, Ni2+).

Najbardziej rozpowszechniony laser krystaliczny to laser rubinowy (Al2O3) domieszkowany jonami Cr3+ (0,035 %) , w którym do pompowania optycznego jest stosowana błyskowa lampa ksenonowa.

2. Opis stanowiska pomiarowego.

Stanowisko pomiarowe składało się z:

• ławy optycznej,

• lasera,

• źródła zasilania,

• półprzewodnika będącego ośrodkiem czynnym lasera,

• dodatkowego sprzętu zamontowanego na ławie optycznej: konik do zamocowania lasera, soczewka,

• miernika mocy.

Na początku ćwiczenia zmontowaliśmy układ laserowy. Następnie dokonaliśmy obserwacji wygenerowanej wiązki laserowej. Na podstawie naszych obserwacji można było sformułować następujące wnioski - właściwości promieniowania laserowego:

• monochromatyczność promieniowania laserowego,

• mała rozbieżność,

• posiada spójność czasową i przestrzenną,

• duża moc w wybranym obszarze widma,

• mała szerokość linii emisyjnej,

• promień lasera półprzewodnikowego nie posiada struktury sferycznej, tylko jest rozciągnięty w jednym wymiarze.

Dzięki detektorowi fotoelektrycznemu połączonemu bezpośrednio z miernikiem mocy i ustawionemu prostopadle do wiązki promieniowania laserowego, zmierzyliśmy jego moc. Pierwszy pomiar testowy dał nam wartość 14mW. Następnie dokonaliśmy pięciu następujących po sobie pomiarów, których wyniki zostały ujęte w tabeli znajdującej się w punkcie III niniejszego sprawozdania.

3. Zestawienie wyników wraz z opracowaniem statystycznym.

Bezpieczna dla człowieka wartość mocy wiązki laserowej wynosi 1mW.

Podczas ćwiczenia dokonano pięciu, następujących po sobie pomiarów:

Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3	Pomiar 4	Pomiar 5
19mW	18,75mW	19,25mW	19mW	19mW

Średnia wyników dla dokonanych pomiarów wyniosła 19 mW w odniesieniu dla wiązki badanego lasera.

Odchylenie standardowe dla średniej wynosi - 0,176777.

4. Podsumowanie i wnioski

Wykorzystywany przez nas laser posiadał niebezpieczną z punktu widzenia normy wartości mocy przewidzianej dla wiązki laserowej, moc badanego lasera, to średnio 19mW, tymczasem wartość bezpieczna mocy wiązki laserowej to zaledwie 1mW.

Szkodliwe działanie promieniowania laserowego dotyczy głównie oczu i skóry. Chodzi tutaj o przypadkowe, krótkotrwałe, niezamierzone ekspozycje. Podczas montażu naszego ćwiczeniowego lasera mogliśmy przekonać się jak łatwo można w sposób niezamierzony spowodować wypadek, poprzez przypadkowe skierowanie wiązki lasera np. w kierunku innej osoby. Wynika to z wyjątkowo dużej łatwości odbijania się wiązki laserowej od różnych powierzchni.

Najbardziej zagrożone promieniowaniem lasera są oczy, powodując np. uszkodzenie siatkówki, rogówki lub soczewki oka. Uszkodzenia mogą mieć zarówno charakter termiczny, jak i fotochemiczny. W przypadku laserów o dużej mocy może również wystąpić uszkodzenie termiczne skóry w postaci: zwęglenia, oparzenia lub rumienia.

Istnieje także wiele innych zagrożeń wynikających ze sposobu pracy i konstrukcji urządzeń laserowych. Są to m.in.

• zagrożenia elektryczne,

• zagrożenia pochodzące od par i gazów, tzw. „dymy laserowe” podczas laserowej obróbki materiałów ,

• zagrożenia pożarowe lub wybuchowe,

Podstawową zasadą podczas pracy z laserami jest unikanie kontaktu z promieniowaniem, a przede wszystkim nie patrzenie w wiązkę promieniowania laserowego. Przebywanie obok wiązki laserowej nie stanowi żadnego zagrożenia, jeśli są zachowane zasady bezpieczeństwa. Istniejący podział laserów na klasy wiąże się z określonymi wymaganiami zapewniającymi bezpieczną pracę.

Graniczne, dopuszczalne dla oczu i skóry jednosekundowe ekspozycje promieniowania laserowego:

Rodzaj lasera	Długość fali (nm)	Dopuszczalne gęstości mocy promieniowania (mW/cm^2)
				dla oczu	dla skóry
Argonowy	488/514	1,8	1100
He - Ne	632,8	1,8	1100
Półprzewodnikowy	660	1,8	1100
Półprzewodnikowy	905	4,6	1100
YAG:Nd	1064	9,0	1100
CO2	10600	560,0	560

Podane graniczne wartości mocy promieniowania dla oka i skóry stały się podstawą klasyfikacji urządzeń na cztery klasy bezpieczeństwa. Normy BHP wyjaśniają następująco przynależność danego urządzenia do jednej z poniższych grup:

klasa I     - obszar promieniowania całkowicie bezpiecznego w każdych

                            warunkach;

klasa II    - dla laserów działających w paśmie widzialnym obszar 
                 promieniowania bezpieczny dla wzroku;

klasa IIIa - zakres parametrów promieniowania warunkowo bezpieczny;

klasa IIIb - promieniowanie w każdych warunkach niebez­pieczne dla oczu;

klasa IV  - obszar promieniowania niebezpieczny dla oczu i skóry.

Podział obszarów bezpieczeństwa laserowego na klasy

Wymagania techniczne dotyczą zarówno urządzeń laserowych, jak i pomieszczeń, w których znajdują się tego typu urządzenia, a także wskazują środki ochrony osobistej. Najważniejsze z nich to:

• obudowa ochronna (wszystkie lasery powinny mieć obudowę ochronną, niektóre typy laserów dodatkowo powinny być wyposażone w blokady bezpieczeństwa,

• laserowe osłony ochronne (specjalne kurtyny lub ekrany absorbujące promieniowanie laserowe oraz kabiny ochronne),

• uruchamianie urządzenia kluczem,

• ostrzeganie przed emisją promieniowania laserowego,

• tłumik wiązki laserowej,

• bezpieczne sterowanie,

• mierniki promieniowania laserowego,

• wskaźnik miejsca ekspozycji wiązką laserową,

• zapobieganie odbiciom zwierciadlanym,

• okulary ochronne,

• szkolenia dla osób obsługujących urządzenia laserowe,

• wymagania informacyjne dla producenta:

• etykiety objaśniające i ostrzegające o zagrożeniu wynikającym z promieniowania laserowego,

• instrukcje obsługi.

 

Ośrodek czynny

Zasilanie

Sprzężenie zwrotne za pomocą selektywnych luster

---