Fale elektromagnetyczne

W XIX wieku okazało się, że zmienne pole elektrycznie i zmienne magnetyczne są od siebie zależnie i takie powiązane ze sobą zmienne pole elektryczne i magnetyczne nazywamy polem elektromagnetycznym. Dziś wiemy, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w przyrodzie. James Maxwell oddziaływanie elektromagnetyczne opisał zestawem czterech równań zwanych dzisiaj równaniami Maxwella (niestety nie da się ich podać bez znajomości pochodnych i całek). Z pierwszego równania wynika wniosek, że zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne, a z drugiego, że zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne (pole wirowe charakteryzuje się tym, że linie tego pola są krzywymi zamkniętymi). Maxwell wykazał, że pole elektromagnetyczne może się rozchodzić w przestrzeni z prędkością światła i nazywamy je falą elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna jest więc rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (opisuje je wektor natężenia elektrycznego E) i magnetycznym (opisuje je wektor indukcji magnetycznej B), prostopadłych do siebie i do kierunku rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię.

Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo (patrz rysunek obok). Wielkości te zależą od siebie. Czym większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza (oto wzór l=c/n , gdzie l długość fali, c prędkość fali, a n częstotliwość). Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali zmienia się, bowiem prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka. Wszystkie długości fali podane tutaj, odnoszą się do próżni.
Fala elektromagnetyczna rozchodzi się najlepiej i najszybciej w próżni (prędkość w próżni wynosi 299792km/s). W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali. W ośrodkach materialnych część energii fali jest tracona i ulega zamianie na energię wewnętrzną ciała. Zjawisko to nosi nazwę absorpcji lub pochłaniania światła. Na skutek absorpcji fala ulega stopniowemu osłabianiu, a stopień osłabienia zależy od własności ośrodka, grubości warstwy, przez którą przechodzi fala oraz od częstotliwości fali. Fala może w niektórych ośrodkach doznać osłabienia wskutek innego procesu. Niewielkie niejednorodności ośrodka zakłócają prostoliniowy bieg światłą i część fali ulega rozproszeniu praktycznie we wszystkich kierunkach (dotyczy to zwłaszcza fal długich).

Dla fal zachodzą zjawiska dyfrakcji czyli ugięcia fali i interferencji czyli nakładania się fal. Zjawiska te tym lepiej jest obserwować im dłuższa jest długość fali (czyli mniejsza częstotliwość). Z drugiej strony falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek (korpuskuł) zwanych fotonami. Każdy foton ma określoną energię (foton możemy więc traktować jako paczkę fali) zależną od częstotliwości. Im większa częstotliwość (mniejsza długość) to energia fotonu jest większa. Fala elektromagnetyczna ma więc naturę podwójną, mówimy dualną, stąd teoria dualizmu korpuskularno - falowego. W niektórych zjawiskach ujawniają się właściwości falowe, a w niektórych właściwości korpuskularne czyli cząsteczkowe. Połączenie opisu własności falowych i korpuskularnych fali podaje mechanika kwantowa (mechanika falowa). Fale długie ujawniają bardziej właściwości falowe, natomiast im krótsze fale to bardziej ujawniają się właściwości kwantowe czyli korpuskularne (wtedy energia fotonu jest większa).
Klasyfikację fal elektromagnetycznych według ich długości w próżni (częstotliwości) nazywamy widmem fal elektromagnetycznych. Omówimy obecnie poszczególne rodzaje fali elektromagnetycznej od fal najkrótszych (o największej częstotliwości) do najdłuższych. Nazwa poszczególnych fal jest tradycyjna i wynika na ogół ze sposobów otrzymywania poszczególnych fal. Dlatego zakresy np. promieniowania gamma i rentgenowskiego lub podczerwonego i mikrofal pokrywają się.

Promieniowanie gamma

Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10^-10 m. Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach. Najsilniejszym źródłem kosmicznego promieniowania są tak zwane błyski gamma. Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych ma charakter dyskretny, tj. obserwuje się oddzielne linie widmowe, energia odpowiadająca tym liniom pozwala identyfikować promieniującą substancję. Promieniowanie gamma dla promieniowania jonizującego o danej energii najlepiej przechodzi przez materię, stąd druga nazwa - promieniowanie przenikliwe. Podobnie jak promienie rentgenowskie najlepiej pochłaniane jest przez substancje o dużej liczbie atomowej. Dlatego najlepszymi materiałem zabezpieczającym przed promieniowaniem gamma jest ołów. Aby obniżyć koszty schrony przeciwatomowe buduje się z na przemian kładzionych warstw ołowiu i betonu, który również dość dobrze pochłania promieniowanie gamma.
Promieniowane gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie (głównie onkologii) do naświetlania chorych tkanek, a także do konserwowania żywności. Ponieważ na ogół wykorzystuje się izotop kobaltu 60, to takie urządzenie nosi nazwę bomby kobaltowej. Oprócz tego stosuje się je do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 roku W.C. Roentgen (pierwszy laureat Nagrody Nobla z fizyki) i nazwał promieniowaniem X. Długości fali zawarta jest w przedziale od 10^-13m do około 5x10^-8m, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma. Rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania. Promieniowaniem gamma powstaje w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym natomiast promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. Przede wszystkim przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe i ograniczone od strony fal krótkich, przy czym położenie jest granicy zależy od napięcia doprowadzonego do lampy. Dodatkowo na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne).
Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna), w defektoskopii oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej wykorzystując fakt, że mięśnie przepuszczają promienie rentgenowskie a kości pochłaniają.

Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowym ( w skrócie UV) ma długość od 4x10^-7m do 10^-8m (od 400 do 10 nm) i dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm) i daleki (190-10 nm). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, przede wszystkim rtęciowe zwane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, zwykłe szkło nadfiolet pochłania) wytwarzane np. w lampach kwarcowych. Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym chroni nas warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie nadfioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.
Ze względu na działanie na skórę docierające z kosmosu promieniowanie dzieli się na trzy zakresy: UV-A (320-400nm), UV-B (290-320nm), UV-C (230-290nm). Promieniowanie z zakresu o największej długości fali UV-A nie jest w normalnych dawkach szkodliwe i stosuje się je klinicznie w leczeniu niektórych dolegliwości skóry, jak np. łuszczycy. Jest także wykorzystywane do stymulowania wytwarzania witaminy D u pacjentów, którzy są uczuleni na preparaty z ta witaminą. Promieniowanie UV-B powoduje zaczerwienienie skóry, po którym następuje pigmentacja czyli opalanie się. Nadmierne naświetlenie może spowodować powstanie groźnych pęcherzy. Promieniowanie UV-C o najmniejszych długościach fali jest szczególnie szkodliwe powoduje ono raka skóry. Normalnie zatrzymywane jest przez warstwę ozonową, ale pojawia się przy jej zubożeniu.
Promieniowanie nadfioletowe ma wiele zastosowań w medycynie (o czym wspomnieliśmy wcześniej), biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) i wielu innych.

Światło widzialne

Jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10^-7 m do około 7x10^-7 m, czyli od 400nm do 700nm. Taki zakres odbiera nasze oko, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły lub ptaki "widzą" promieniowanie nadfioletowe. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm) a najgorzej na końcach zakresu.
Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700°C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i przy powrocie do niższych stanów energetycznych następuje emisja światła. Taki proces zachodzi w zwykłych żarówkach. Innym sposobem jest pobudzanie do świecenia atomów substancji (najczęściej rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze np. świetlówki lub żarówki energooszczędne. Osobliwym źródłem jest laser a jeszcze innym zjawisko luminescencji.

Promieniowanie podczerwone

Satelitarne zdjęcie w podczerwieni stolicy Brazylii

Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym lub krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10^-7 m do 2x10^-3m. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają długość 19 mm. Ciała o temperaturze do około 400°C wysyłają praktycznie tylko podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od 14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający planetę przed zbytnim ochłodzeniem.
Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia i wykonywanie zdjęć termowizyjnych), biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni) także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe) oraz do wykonywania zdjęć termowizyjnych w technice. Duże znaczenie naukowe i praktyczne ma fotografika w bliskiej podczerwieni: diagnostyka stanów patologicznych układu krążenia w medycynie, wykrywanie fałszerstw dokumentów w kryminalistyce, ekspertyza dzieł sztuki. Znacznie słabsze rozpraszanie promieniowania podczerwonego w porównaniu ze światłem widzialnym ułatwia dokładne fotografowanie obiektów przez mgłę i dym. Zdjęcia satelitarne również są na ogół wykonywane w podczerwieni.

Mikrofale

Są to fale o długości od 10^-4 m do 0,3 m(0,1mm do 30 cm). Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych nie wyszczególniając osobno. Obecnie opracowano wiele innych sposobów generacji mikrofal. Mogą to być lampy mikrofalowe: klistrony, karcinotrony, i magnetrony (jest to dwuelektrodowa lampa elektronowa umieszczona w polu magnetycznym gdzie opóźniane elektrony krążąc w polu magnetycznym po spiralach emitują mikrofale). Rozwój elektroniki pozwolił na stworzenie źródeł mikrofal z wykorzystaniem półprzewodników: generator Gunna, diody lawinowe, a także tranzystory bipolarne i polowe.
Mikrofale wykorzystuje się w radiolokacji (radar), także w pomiarach prędkości pojazdów dlatego czasami nazywane są inaczej falami radarowymi, a także do podgrzewania potraw w mikrofalówkach. Zastosowanie mikrofal jest coraz większe. Ostatnio wymyślono sposób monitorowania stanu zapór wodnych czy mostów w rejonach zagrożonych trzęsieniem ziemi. W krytycznych miejscach budowli umieszcza się puste metalowe pudełka wielkości paczki papierosów, do których dochodzą rurki. Przez rurki doprowadzane są mikrofale, a pudełka działają jak wnęki rezonansowe. Gdy pudełko wygina się pod wpływem naprężeń, częstotliwość rezonansowa ulega zmianie, co stanowi wczesne ostrzeżenie o możliwych problemach.

Fale radiowe

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o długości większej od 10^-4 m (0,1 mm). Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym.

Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp. Ogromną rolę w przesyłaniu i odbiorze fal radiowych odgrywa jonosfera. Jest to górna część atmosfery ziemskiej, zjonizowana przez działanie promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego wysyłanego przez Słońce. Dolna jej część dzieli się na warstwy: D (60-90 km), E (około 120 km), F₁ (180-240 km) i F₂ (220-300 km). Fale długie łatwo ulegają ugięciu czyli dyfrakcji i mogą stanowić fala długą przyziemną (oznaczone 2 na rysunku) oraz odbijają się od warstwy D (3 na rysunku) i w ogóle nie są pochłaniane przez jonosferę. Dlatego mają najdalszy zasięg niezależnie od pory dnia i roku. Fale średnie odbijające się od warstwy E (4 na rysunku), mają o wiele większy zasięg w nocy, gdyż wtedy zanika warstwa D, przez którą są pochłaniane. Fale krótkie natomiast na Ziemi tworzą fala krótką falę przyziemną (na rysunku 1) i odbijają się od warstw F₁ i F₂ (5 na rysunku) (warstwa F₁ występuje jedynie w lecie) oraz od powierzchni Ziemi i dzięki temu są słyszalne na bardzo dużym obszarze, jednak tylko w tych miejscach, do których biegnie fala po odbiciu od jonosfery. Ale ultrakrótkie i mikrofale (6 na rysunku) nie ulegają odbiciu od jonosfery i uciekają w przestrzeń kosmiczną. To właśnie one są nadawane i odbierane przez satelity telekomunikacyjne (UKF) lub służą do łączności satelitarnej (mikrofale).
Poniżej podajemy podział tradycyjny fal radiowych i ich zastosowanie.

Podział tradycyjny	Długość fali[m]	Częstotliwość [MHz]	Uwagi dotyczące propagacji fali na Ziemi	Zastosowanie
fale bardzo długie	100000 -   10 000	0.003 - 0.03	słabo tłumiona fala powierzchniowa i fale jonosferyczne	radionawigacja, radiotelegrafia dalekosiężna
fale długie	10 000 -    1 000	0.03 - 0.3	fala powierzchniowa tłumiona, fala jonosferyczna	radiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia
fale średnie i pośrednie	1000 - 75	0.3 - 4	zależność od pory dnia: w dzień fala powierzchniowa, w nocy fala jonosferyczna, zjawiska zaniku selektywnego, interferencji	radiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska
fale krótkie	75 - 10	4 - 30	dominuje fala jonosferyczna, wielokrotnie odbita	radiofonia i radiokomunikacja
fale ultrakrótkie	10-0.3	30 - 1000	fala nadziemna, głównie w obszarze widoczności nadajnika	telewizja, radiofonia, radiokomunikacja, łączność kosmiczna
mikrofale	0.3 -     0.0001	1 000 -3 000 000	fala troposferyczna	radiolokacja, łączność kosmiczna

Sprzęt ochrony oczu i twarzy chroniący przed promieniowaniem podczerwonym

Do ochrony przed promieniowaniem podczerwonym mogą być stosowane:

okulary ochronne; gogle ochronne; osłony twarzy; kaptury wyposażone w wizjery.

   Dobór typów ochron dokonywany jest w zależności od intensywności promieniowania podczerwonego.

W przypadku gdy natężenie napromienienia przekracza wartości dopuszczalne dla skóry wskazane jest stosowania osłon twarzy lub kapturów.

Jeżeli wartości natężenie napromienienia określone dla skóry nie są przekroczone można stosować okulary chroniące przed promieniowaniem podczerwonym.

Wszystkie wymienione wyżej środki ochrony muszą być wyposażone w filtry chroniące przed promieniowaniem podczerwonym.
Dobór filtrów chroniących przed podczerwienią dokonywany jest na podstawie temperatury źródła promieniowania. W tabeli zostały przedstawione typowe źródła promieniowania o średniej temperaturze oraz odpowiadające im oznaczenia filtrów.

Oznaczenia i typowe zastosowanie filtrów chroniących przed promieniowaniem podczerwonym

Oznaczenie	Typowe zastosowanie dla źródeł promieniowania o średniej temperaturze, °C
4-1,2 4-1,4 4-1,7 4-2 4-2,5 4-3 4-4 4-5 4-6 4-7 4-8 4-9 4-10	do 1050 1070 1090 1110 1140 1210 1290 1390 1500 1650 1800 2000 2150

   Kiedy poziom promieniowania jest bardzo wysoki, filtry mające powierzchnię odbijającą są zalecane jako ochrona przed podczerwienią, ponieważ odbijanie promieniowania podczerwonego powoduje mniejszy wzrost temperatury filtru.

   Filtry chroniące przed podczerwienią powinny chronić użytkownika przed promieniowaniem podczerwonym, umożliwiając dobre widzenie przedmiotu pracy, a także rozpoznawanie sygnałów bezpieczeństwa. W szczególności należy dbać o to, aby współrzędne chromatyczności filtrów odpowiadały warunkom dobrego rozpoznawania barw, zwłaszcza dla prawidłowej oceny temperatury pieca, w którym odbywa się topienie. Z tego względu filtry o zbyt wysokich stopniach ochrony mogą sprawiać trudności użytkownikom, znacznie pogarszając widzenie.

Promieniowanie laserowe

Promieniowanie laserowe charakteryzuje się wysoką spójnością, monochromatycznością i kierunkowością rozchodzenia się wiązki. Ważną jego własnością jest możliwość uzyskiwania bardzo dużych gęstości mocy wiązki laserowej.

Różne typy laserów emitują promieniowanie zarówno o niskiej jak i wysokiej spójności oraz o zróżnicowanych parametrach wiązek (długościach fal i energii).

Ze względu na rodzaj substancji laserującej wyróżniamy głównie lasery gazowe, cieczowe, na ciele stałym, molekularne oraz lasery półprzewodnikowe. Rozpatrując sposób i rodzaje przejść elektronów między poziomami ośrodka laserującego mówimy o laserach np. trójpoziomowych lub czteropoziomowych. Różnorodność możliwych emitowanych długości fal dzieli lasery na urządzenia emitujące promieniowanie widzialne, nadfioletowe, podczerwone, mikrofalowe lub rentgenowskie. Do celów oceny ochrony oczu przed promieniowaniem laserowym najważniejsze są podziały uwzględniające rodzaj pracy oraz moc emitowanego promieniowania, mogącą wywołać określone skutki podczas oddziaływania z materią (m.in. z tkanką biologiczną).

Ze względu na rodzaj pracy lasery dzielimy na:

lasery pracy ciągłej (D), lasery impulsowe (I), lasery impulsowe z modulacją dobroci (R), laser impulsowe z synchronizacją modu (M).

Lasery półprzewodnikowe mają stosunkowo niską spójność, za to są bardzo małych rozmiarów i można je modulować sygnałami o częstotliwościach do 1010HZ.

Lasery gazowe mają dużą spójność emitowanego promieniowania, wysoką stabilność i częstotliwość. Moce wyjściowe laserów argonowych są rzędu dziesiątków watów, laserów CO2 rzędu kilowatów (przy pracy ciągłej).

Lasery stałe (m.in. neodymowe) mogą pracować w sposób ciągły ze stosunkowo dużą mocą wyjściową, lecz mają niską spójność emitowanego promieniowania.

Porównanie podstawowych typów laserów podano w tabeli 1.

Tabela 1 Porównanie podstawowych typów laserów

Typ lasera	Długość fali [nm]	Rodzaj pracy, długość impulsu	Energia [J]	Moc [W]	Zastosowanie
Laser rubinowy	694,3	impulsowa (930-10^2ns)	1-10^2	10^3-10^9	technologiczne spawanie, topienie, wiercenie, dentystyka, biologia
Laser neodymowy	1060	ciągła lub impulsowa (15ns)	10^-1-10^2	10-10^3	telekomuni-kacja, laserowe układy śledzące, kontrolowane reakcje jądrowe
Laser półprzewodni-kowy GaAs	800-900	ciągła lub impulsowa (10^2ns)	10^-5-10^-3	10^-3-10	telekomuni-kacja
Laser barwnikowy	przestraja-ny w zakresie 200-800	zależna od lasera pompujące-go	zależna od lasera pompujące-go	zależna od lasera pompujące-go	spektroskopia, rozdzielanie izotopów, biologia
Laser gazowy He-Ne	632,8	ciągła	-	10^-3-10^-1	metrologia, interferome-tria, holografia, geodezja
Laser argonowo jonowy	488-514,5	ciągła lub impulsowa (10^3ns)	-	1-10^3	chirurgia, spektroskopia
Laser azotowy	337,1	impulsowa (10ns)	0,01	10^6	spektroskopia, reakcje fotochemiczne
Laser CO2	10600	ciągła lub impulsowa (10^2-5x10^4ns)	1-10^3	10-10^4	laserowe układy śledzące, chirurgia, dentystyka, obróbka materiałów, cięcie i spawanie metali, kontrolowane reakcje jądrowe, rozdzielanie izotopów

   Promieniowanie laserowe w zakresie fal od nadfioletu do dalekiej podczerwieni różni się między innymi tym od promieniowania optycznego pochodzącego z innych źródeł, że jego wiązka jest wiązką spójną. Może to być powodem znacznej koncentracji energii na małej powierzchni. Powyższe względy wymagają zachowania szczególnej ostrożności oraz rygorystycznego stosowania ochron i zabezpieczeń przez osoby obsługujące lasery i urządzenia laserowe.

   Najbardziej zagrożone promieniowaniem laserowym są oczy. W zakresie działania fal o długości od 400 nm do 1400 nm może dojść do uszkodzenia siatkówki.

   Promieniowanie z zakresu długości fal poniżej 400 nm i powyżej 1400 nm nie wnika do wnętrza oka, natomiast powoduje uszkodzenie rogówki. W przypadku skóry skutkiem działania promieniowania laserowego może być uszkodzenie tkanki (zwęglenie, oparzenie, rumień).

Szkodliwe skutki oddziaływania promieniowania laserowego na skórę i oczy podano w tabeli 2.

Tabela 2 Szkodliwe skutki oddziaływania promieniowania laserowego na skórę i oczy

Zakres promieniowania	Oczy	Skóra
100 - 280 nm 280 - 315 nm	uszkodzenie rogówki uszkodzenie rogówki	rumień, działania rakotwórcze, przyśpieszone starzenie skóry
315 - 400 nm	katarakta fotochemiczna	oparzenie skóry, ciemnienie pigmentu
400 - 780 nm	fotochemiczne i termiczne uszkodzenie siatkówki	oparzenie skóry, reakcje fotoczułe
780 - 1400 nm	katarakta, poparzenie siatkówki	oparzenie skóry
1400 - 3000 nm	przymglenie rogówki, katarakta, oparzenie rogówki	oparzenie skóry
3000 nm - 1 mm	oparzenie rogówki	oparzenie skóry

Do obliczania zagrożeń wywołanych promieniowaniem laserowym stosuje się maksymalną dopuszczalną ekspozycję promieniowania laserowego (MDE). Wartości MDE są ustalane poniżej znanych poziomów zagrożeń i oparte są na informacjach z badań doświadczalnych. Wartości te powinny być uważane jedynie za wskazówki przy kontroli ekspozycji, lecz nie definiują one jednak precyzyjnie granicy oddzielającej poziom bezpieczny od niebezpiecznego. Zasady bezpiecznej pracy z urządzeniami laserowymi podano w Polskiej Normie PN-EN 60825-1:2000 (patrz : kontrola zagroźeń związanych z użytkowaniem urządzeń laserowych). .

   Ponieważ promieniowanie laserowe o tej samej mocy lecz o różnych długościach fal może wywołać różne skutki, podczas oddziaływania z tkanką biologiczną, lasery podzielono na klasy. Klasa lasera informuje użytkownika o skali zagrożeń związanych z użytkowaniem. Aktualnie wprowadzony został nowy podział na siedem klas (1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4). Wcześniejszy podział dzielił lasery na pięć klas (1, 2, 3A, 3B, 4). W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę klas laserów według aktualnie oraz wcześniej obowiązującego podziału.

Tabela Podział laserów i urządzeń laserowych na klasy

Klasa	Nowy podział	Klasa	Stary podział
1	Lasery, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy	1	Lasery, które są bezpieczne w racjonalnie przewidywanych warunkach pracy
1M	Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 4000 nm, które są bezpieczne w racjonalnych warunkach pracy, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne
2	Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 700. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne.			2	Lasery emitujące promieniowanie widzialne w zakresie długości fal od 400 nm do 700 nm. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, w tym odruch mrugania oka
2M	Lasery emitujące promieniowanie widzialne w przedziale długości fal od 700. Ochrona oka jest zapewniona w sposób naturalny przez instynktowne reakcje obronne, ale mogą być niebezpieczne podczas patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne.
3R	Lasery emitujące promieniowanie w zakresie długości fal do 302,5 nm do 10^6 nm, dla których bezpośrednie patrzenie w wiązkę jest potencjalnie niebezpieczne.	3A	Lasery bezpieczne przy patrzeniu okiem nieuzbrojonym. W przypadku laserów emitujących promieniowanie w zakresie długości fal od 400 nm do 700 nm ochrona oka zapewniona jest przez instynktowne reakcje obronne. W przypadku innych długości fal zagrożenie nie uzbrojonego oka nie jest większe niż dla urządzeń klasy 1. Bezpośrednie patrzenie w wiązkę przez przyrządy optyczne może być niebezpieczne
3B	Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone są zwykle bezpieczne.	3B	Lasery, które są niebezpieczne podczas bezpośredniej ekspozycji promieniowania. Patrzenie na odbicia rozproszone są zwykle bezpieczne.
4	Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność.	4	Lasery, które wytwarzają niebezpieczne odbicia rozproszone. Mogą one powodować uszkodzenie skóry oraz stwarzają zagrożenie pożarem. Podczas obsługi laserów klasy 4 należy zachować szczególną ostrożność.

W celu właściwej identyfikacji urządzeń laserowych muszą być one odpowiednio oznakowane. Informacje zawarte w oznakowaniu powinny informować użytkownika o klasie lasera zagrożeniach oraz długości emitowanego promieniowania. Jednym z najważniejszych elementów oznakowania urządzeń laserowych są etykiety informujące o  klasie lasera. Tekst na tych etykietach powinien być napisany czarnymi literami na żółtym tle. Przykładowy wzór przedstawiono na rysunku 1. W tabeli 1 przytoczono tekst jaki powinien być na etykietach identyfikujących klasy laserów. Ponieważ większość urządzeń laserowych dostępnych na rynku polskim oznakowana jest tekstem w języku angielskim przedstawiono również tekst w tym języku.

Etykieta urządzenia laserowego klasy 2

Tabela  Oznaczenia pozwalające zidentyfikować klasę urządzeń laserowych

Tekst polski	Tekst angielski
URZĄDZENIE LASEROWE KLASY 1	CLAS 1 LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWENIE SPOGLĄDAĆ BEZPOŚREDNIO W WIĄZKĘ PRZEZ PRZYRZĄDY OPTYCZNEURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 1M	LASER RADIATIONDO NOT VIEV DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTCLAS 1M LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWENIE WPATRYWAĆ SIĘ W WIĄZKĘURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 2	LASER RADIATIONDO NOT STARE INTO BEAMCLASS 2 LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWENIE WPATRYWAĆ SIĘ W WIĄZKĘ LUB NIE SPOGLĄDAĆ BEZPOŚREDNIO W WIĄZKĘ PRZEZ PRZYRZĄDY OPTYCZNEURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 2M	LASER RADIATIONDO NOT STARE INTO THE BEAM OR VIEV DIRECTLY WITH OPTICAL INSTRUMENTSCLAS 2M LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWECHRONIĆ OCZYURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3R	LASER RADIATIONAVOID DIRECT EYE EXPOSURECLAS 3R LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWEUNIKAĆ WIĄZKI LASEROWEJURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3R	LASER RADIATIONAVOID EXPOSURE TO BEAMCLAS 3R LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWEUNIKAĆ WIĄZKI LASEROWEJURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 3B	LASER RADIATIONAVOID EXPOSURE TO BEAMCLAS 3B LASER PRODUCT
PROMIENIOWANIE LASEROWECHRONIĆ OCZY I SKÓRĘ PRZED PROMIENIOWANIEM BEZPOŚREDNIM LUB ROZPROSZONYMURZĄDZENIE LASEROWE KLASY 4	LASER RADIATIONAVOID EYE OR SKIN EXPOSURE TO DIRECT OR SCATTERED RADIATIONCLAS 4 LASER PRODUCT

Sprzęt ochrony oczu i twarzy chroniący przed promieniowaniem laserowym

   Środki chroniące oczy przed promieniowaniem laserowym, biorąc pod uwagę ich budowę, można podzielić na okulary i gogle. Zasadniczym elementem zarówno okularów jak i gogli są filtry optyczne.

Dokonując wyboru filtrów chroniących przed promieniowaniem laserowym należy uwzględnić następujące elementy:

typ lasera (D - lasery o pracy ciągłej, I - lasery impulsowe, R - lasery z modulacją dobroci, M - lasery z synchronizacją modu); zakres długości fali pracy lasera; maksymalną moc lub gęstość energii promieniowania laserowego.

Filtry chroniące przed promieniowaniem laserowym dzielą się na dwie grupy:

do ochrony przed promieniowaniem laserowym dla zakresu długości fal od 180 nm do 1000 µm (wymagania zawarte w PrPN-EN 207 [22]); do justowania laserów, zapewniające ochronę przed promieniowaniem laserowym dla zakresu długości fal od 400 nm do 700 nm oraz mocy <= 1mW przy pracy ciągłej, tzw. lasery CW (wymagania zawarte w PrPN-EN 208 [23]).

   Podstawową wielkością charakteryzującą filtry chroniące przed promieniowaniem laserowym są monochromatyczne współczynniki przepuszczania promieniowania dla długości fal emitowanych przez lasery. W zależności od typu lasera, długości fali oraz mocy lasera filtry są oznaczone symbolami Li lub Ri. W tabelach 9 i 10 przedstawiono oznaczenia filtrów chroniących przed promieniowaniem laserowym.

PROMIENIOWANIE OPTYCZNE

.. | Skutki działania promieniowania optycznego na organizmczłowieka | Sposoby ochrony człowieka przed nadmiernym promieniowaniem optycznym w środowisku pracy | Środki ochrony indywidualnej | Bibliografia

dr inż. Agnieszka Wolska


Część widma elektromagnetycznego o długościach fali l z przedziału 10-8 ÷ 10-3 m (od 10 nm do 1 mm) nazywamy promieniowaniem optycznym. Promieniowanie optyczne dzieli się na promieniowanie widzialne (światło) oraz niewidzialne - promieniowanie nadfioletowe i podczerwone.

Fizyczną, chemiczną lub biologiczną przemianę wywołaną oddziaływaniem promieniowania optycznego na materię nazywa się skutkiem promieniowania optycznego. Gdy promieniowanie optyczne wywołuje w materii przemiany chemiczne, używane jest określenie skutek aktyniczny, natomiast w wypadku zmian w tkankach organizmów żywych mówimy o skutku biologicznym tego promieniowania. Miarą skutku biologicznego promieniowania optycznego może być np. ilość substancji (wyrażona w mg, µg, molach itp.) powstałej w wyniku reakcji fotochemicznej spowodowanej przez określoną dawkę promieniowania. Danemu rodzajowi skutku biologicznego odpowiada charakterystyczny, właściwy mu, względny rozkład widmowy skuteczności biologicznej promieniowania optycznego (krzywa skuteczności biologicznej promieniowania optycznego).

Człowiek może być nadmiernie narażony na działanie naturalnego promieniowania słonecznego lub promieniowania źródeł sztucznych, których liczba szybko rośnie wraz z rozwojem technologicznym. Sztuczne źródła promieniowania optycznego można podzielić na nielaserowe (klasyczne) oraz laserowe.

Elektryczne źródła nielaserowego promieniowania optycznego, oprócz zastosowania do celów oświetleniowych, są używane w wielu dziedzinach działalności człowieka. Na przykład nisko- lub wysokoprężne lampy rtęciowe UV oraz wysokoprężne lampy metalohalogenkowe UV stosuje się do dezynfekcji (medycyna, przemysł farmaceutyczny i spożywczy, salony fryzjerskie itd.), fototerapii (np. leczenie łuszczycy lub żółtaczki), w poligrafii (kopiowanie, wykonywanie matryc sitodrukowych, utwardzanie fotopolimerów, suszenie farb i lakierów), w przemyśle meblowym (suszenie farb i lakierów), w przemyśle elektronicznym (kasowniki pamięci EPROM), w salonach kosmetycznych (do opalania) itd. Niskoprężne rtęciowe promienniki UV są instalowane jako źródła promieniowania w testerach do banknotów, lampach owadobójczych itp. Lampy ksenonowe stosuje się w urządzeniach poligraficznych, projekcyjnych i spektrofotometrach. Źródła promieniowania najnowszej generacji, takie jak lampy indukcyjne emitujące silne promieniowanie nadfioletowe i niebieskie, są montowane w projektorach poligraficznych. Specjalne żarówki oraz promienniki kwarcowe będące źródłami podczerwieni są m.in. stosowane w lakierniach i farbiarniach do suszenia lakieru, w przemyśle spożywczym i w gastronomii, w hodowli zwierząt, w urządzeniach terapeutycznych. Źródłami nielaserowego promieniowania optycznego często spotykanymi w środowisku pracy są takie procesy technologiczne, jak: spawanie łukowe i gazowe, cięcie łukiem plazmowym, cięcie tlenowe, natryskiwanie cieplne, elektrodrążenie, zgrzewanie, wszelkiego rodzaju procesy hutnicze (wytop stali, żeliwa, metali nieżelaznych, szkła) itp. Promieniowanie towarzyszące tym procesom jest zwykle bardzo intensywne.

Lasery (urządzenia laserowe) są źródłami promieniowania optycznego wytwarzanego w procesie kontrolowanej emisji wymuszonej. W porównaniu z promieniowaniem źródeł klasycznych promieniowanie laserowe wyróżnia się specyficznymi właściwościami. Są to: monochromatyczność, kierunkowość rozchodzenia się wiązki laserowej, możliwość uzyskiwania bardzo dużych gęstości mocy promieniowania oraz koherencja (spójność) czasowa i przestrzenna promieniowania. Od czasu zbudowania pierwszego lasera w 1960 roku urządzenia te znalazły wiele zastosowań, między innymi w medycynie, telekomunikacji, technice wojskowej, różnorodnych procesach technologicznych (np. cięcie, spawanie, drążenie otworów). Ze względu na kierunkowość wiązki zagrożenie promieniowaniem laserowym jest zagrożeniem potencjalnym, tzn. ekspozycja na to promieniowanie jest zazwyczaj przypadkowa. Należy jednak pamiętać, że nawet przypadkowa ekspozycja może być dla oczu lub skóry bardzo niebezpieczna.

Skutki działania promieniowania optycznego na organizm człowieka

Skutek biologiczny promieniowania optycznego zależy przede wszystkim od rozkładu widmowego i ilości pochłoniętego promieniowania, czasu i częstotliwości ekspozycji oraz rodzaju eksponowanej tkanki. Ilość promieniowania pochłoniętego przez tkankę jest zależna od jej napromienienia i współczynnika odbicia.

Promieniowaniem nadfioletowym (UV) nazywa się promieniowanie optyczne o długości fali l mieszczącej się w zakresie 10 ÷ 400 nm. Wyróżnia się następujące zakresy nadfioletu w zależności od długości fali l:

• UV-A (nadfiolet bliski) - 315 ÷ 400 nm

• UV-B (nadfiolet średni) - 280 ÷ 315 nm

• UV-C (nadfiolet daleki) - 100 ÷ 280 nm

Energia fotonów promieniowania nadfioletowego zawiera się w przedziale 3,3 ÷ 125 eV. Promieniowanie nadfioletowe o energii mniejszej niż około 12 eV (o długości fali powyżej 104 nm) nie powoduje jonizacji powietrza i tkanki biologicznej, może natomiast wywoływać reakcje fotochemiczne w tkance biologicznej.

Promieniowanie nadfioletowe może być przyczyną zarówno korzystnych jak i szkodliwych skutków dla organizmu człowieka.

Korzystny wpływ nadfioletu polega przede wszystkim na działaniu przeciwkrzywicznym. Pod wpływem tego promieniowania zawarty w skórze człowieka 7-dehydrocholesterol ulega przekształceniu w witaminę D3, która odgrywa ważną rolę w gospodarce wapniowo-fosforowej ustroju. Inne korzystne skutki działania promieniowania UV na organizm człowieka to np. wzrost jego odporności, niszczenie drobnoustrojów czy przyśpieszanie gojenia ran i owrzodzeń.

Głębokość wnikania promieniowania nadfioletowego w skórę jest wprost proporcjonalna do długości fali (największa dla l = 400 nm) i wynosi przeciętnie kilka mikrometrów. Najczęściej spotykanym objawem nadmiernej ekspozycji skóry na promieniowanie nadfioletowe jest rumień. Z medycznego punktu widzenia rumień (erytema) jest objawem procesu zapalnego skóry. Pojawia się on zazwyczaj w miejscu napromienienia, po okresie utajenia trwającym do kilku godzin, zależnie od dawki i długości fali l. Wzrost dawki promieniowania powoduje skrócenie okresu utajenia. Nadfiolet z zakresu UV-C wywołuje rumień o jasnym odcieniu, po okresie utajenia trwającym średnio 2-3 godziny. Rumień ten ustępuje stosunkowo szybko, a zwiększanie dawki promieniowania nie powoduje dużego wzrostu jego intensywności. Promieniowanie z zakresu UV-B wytwarza rumień intensywniejszy i trwający dłużej, przy czym wzrost dawki promieniowania znacznie zwiększa jego intensywność. Skuteczność wywoływania rumienia przez UV-A jest od 1000 do 10000 razy mniejsza niż w wypadku UV-B czy UV-C. Do tej pory, pomimo licznych badań, nie ustalono jednolitego rozkładu widmowego (krzywej widmowej) skuteczności wywoływania rumienia skóry przez promieniowanie nadfioletowe (tzw. krzywa widmowa skuteczności erytemalnej). Poszczególne kraje i organizacje określiły swoje własne krzywe różniące się między sobą. Wielokrotne narażenie skóry na promieniowanie nadfioletowe o dużym natężeniu może także być przyczyną złuszczania się naskórka, powstania przebarwień na skórze  (pojawiają się piegi, znamiona, plamy) oraz powstawania zmian przednowotworowych i nowotworowych. W krajach leżących w strefach o dużym nasłonecznieniu oraz wśród osób wykonujących prace na wolnym powietrzu stwierdzono większą zapadalność na nowotwory skóry.
Jest to spowodowane zwiększoną ekspozycją ludzi na nadfiolet zawarty w promieniowaniu słonecznym. Proces powstawania nowotworów skóry pod wpływem ekspozycji na długotrwałe działanie nadfioletu wiąże się z pochłanianiem tego promieniowania przez DNA. Pod wpływem nadfioletu w DNA powstają dimery pirimidyn i właśnie temu zjawisku przypisuje się główną rolę w procesie inicjowania zmian nowotworowych. Rozkład widmowy skuteczności rakotwórczej nadfioletu dla skóry człowieka nie został do tej pory ustalony. Na podstawie wyników badań eksperymentalnych przeprowadzanych na zwierzętach przyjmuje się, że najbardziej skuteczne pod względem wywoływania nowotworów jest promieniowanie o długościach fali zbliżonych do 300 nm. Oprócz wymienionych tu zagrożeń intensywne promieniowanie nadfioletowe (np. laserowe) może powodować oparzenia skóry.

Promieniowanie o długości fali poniżej 290 nm jest silnie pochłaniane przez rogówkę i spojówkę oka. Absorpcja promieniowania z tego zakresu powoduje stany zapalne spojówki i rogówki, a w przypadku ekspozycji oka na promieniowanie laserowe może dodatkowo wystąpić uszkodzenie rogówki. Stany zapalne spojówki i rogówki objawiają się zaczerwienieniem, swędzeniem i pieczeniem spojówek, wzmożonym łzawieniem, światłowstrętem, uczuciem obcego ciała w oku, spazmem powiek, upośledzeniem widzenia. Objawy zapalenia spojówek obserwuje się zwykle po czasie utajenia trwającym od 5 do 10 godzin w zależności od dawki promieniowania i długości fali. Objawy te znikają całkowicie po upływie od kilkunastu godzin do kilku dni. Podobnie jak w wypadku rumienia skóry istnieją różne krzywe skuteczności widmowej wywoływania stanów zapalnych spojówki i rogówki. Na przykład Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE) przyjęła dwie oddzielne krzywe: jedną dla zapalenia spojówki i drugą dla zapalenia rogówki. Natomiast w Polsce zarówno dla zapalenia spojówki jak i zapalenia rogówki została określona jedna krzywa skuteczności biologicznej, tzw. krzywa widmowa skuteczności koniunktywalnej, z maksimum dla l = 257 nm.

Nadfiolet z zakresu powyżej 290 nm jest przepuszczany przez rogówkę i ciecz wodnistą oka, dociera do soczewki i jest przez nią pochłaniany. Długotrwałe narażenie soczewki na intensywne promieniowanie nadfioletowe o długościach fali powyżej 290 nm może doprowadzić do jej trwałego zmętnienia, czyli zaćmy (tzw. zaćma fotochemiczna). Na podstawie badań na zwierzętach przyjmuje się, że największa skuteczność widmowa tworzenia zaćmy występuje w paśmie 290-320 nm z maksimum dla l = 300 nm. Do siatkówki oka dociera mniej niż 1% promieniowania nadfioletowego o długości fali powyżej 300 nm. Promieniowanie to może być przyczyną schorzeń lub uszkodzeń siatkówki o charakterze fotochemicznym.

         
Intensywne promieniowanie widzialne (zwłaszcza światło niebieskie) może powodować termiczne lub fotochemiczne uszkodzenia i schorzenia siatkówki oka. Silne światło niebieskie występuje podczas procesów technologicznych, takich jak np. spawanie, oraz jest emitowane przez promienniki elektryczne, np. lampy do naświetlania materiałów światłoczułych. Jest ono także składową promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi. Najbardziej groźne dla siatkówki oka jest promieniowanie o długościach fali l z zakresu 420 ÷ 455 nm. Przyjmuje się, że dla czasów ekspozycji t mniejszych niż 10 s powstają głównie uszkodzenia termiczne, natomiast dla t większego od 10 s przeważają uszkodzenia o charakterze fotochemicznym.
Ekspozycja skóry na widzialne promieniowanie laserowe o dużej mocy może powodować jej oparzenia.

Promieniowniem podczerwonym (IR) nazywa się promieniowanie optyczne o długości fali l wynoszącej od 780 nm do 1 mm. Promieniowanie to dzieli się na następujące zakresy w zależności od długości fali l:

• IR-A (podczerwień bliska) - 780 ÷ 1400 nm

• IR-B (podczerwień średnia) - 1400 ÷ 3000 nm

• IR-C (podczerwień daleka) - 3000 nm ÷ 1 mm.

Energia fotonów promieniowania podczerwonego jest stosunkowo mała i zawiera się w przedziale 0,001 ÷ 1,6 eV. Dlatego promieniowanie to wywołuje w tkance biologicznej przede wszystkim reakcje termiczne.

Obecnie panuje pogląd, że skutki ekspozycji na podczerwień zależą głównie od natężenia napromienienia oraz w mniejszym stopniu od czasu ekspozycji i długości fali. Dla czasów ekspozycji większych niż 0,1 s bardzo ważną rolę odgrywa przepływ krwi i odprowadzanie ciepła drogą przewodnictwa. W związku z tym zakłada się, że jeżeli w ciągu krótkiego czasu ekspozycji (od kilku do kilkunastu sekund) nie wystąpiło uszkodzenie termiczne tkanek dobrze chłodzonych, to nie wystąpi ono także dla dłuższych czasów ekspozycji. Nie dotyczy to tkanek słabo chłodzonych, takich jak np. soczewka oka.

Głębokość wnikania promieniowania podczerwonego w skórę jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Przenikalność promieniowania z pasma IR-C (podczerwień daleka) wynosi kilka mikrometrów. Promieniowanie to jest w większości absorbowane w powierzchniowych warstwach skóry, co przy długotrwałej ekspozycji i dużym natężeniu napromienienia może doprowadzić do jej przegrzania lub oparzenia. Reakcją skóry na nadmierną dawkę podczerwieni może być wystąpienie tzw. rumienia cieplnego charakteryzującego się rozlanym zaczerwienieniem obszaru poddanego działaniu promieniowania. Rumień utrzymuje się zazwyczaj 1-2 godziny po zakończeniu ekspozycji. Największą zdolnością wnikania (na głębokość 1 ÷ 3 cm) charakteryzuje się promieniowanie z zakresu podczerwieni bliskiej IR-A, które dociera do głębiej położonych warstw tkanki skórnej oraz do tkanki podskórnej. Mimo że obszary skóry położone głębiej są dobrze ukrwione i przepływająca krew odprowadza nadmiar energii cieplnej, długotrwałe działanie tego typu może powodować zwiększone obciążenie cieplne organizmu. Ze względu na mniejszą absorpcję w powierzchniowych warstwach skóry promieniowanie z pasma IR-A wywołuje rumień cieplny po dłuższym czasie ekspozycji niż podczerwień daleka (przy tym samym poziomie natężenia napromienienia). Oprócz natężenia napromienienia, składu widmowego promieniowania i czasu ekspozycji, do czynników, które mają wpływ na reakcję skóry na podczerwień, zalicza się także wielkość napromieniowanej powierzchni (małe obszary skóry, zwłaszcza poniżej 1 cm², wymagają większego natężenia napromienienia do uzyskania takiego samego przyrostu temperatury) oraz cechy osobowe charakteryzujące poszczególnych ludzi, takie jak: stan skóry, jej wilgotność, grubość poszczególnych warstw itp. Głównym mechanizmem obronnym organizmu w razie nadmiernego wzrostu temperatury skóry jest odczuwanie bólu. Według wyników badań nad skutkami ekspozycji skóry na podczerwień odczucie bólu pojawia się, gdy temperatura skóry osiągnie wartości z zakresu 41 ÷ 53 ^oC, a objawy oparzenia I stopnia występują zazwyczaj po przekroczeniu około 50 ^oC. Ponieważ receptory ciepła znajdujące się w skórze dostatecznie wcześnie sygnalizują niebezpieczeństwo przekroczenia dozwolonej temperatury, to do poparzeń skóry spowodowanych podczerwienią może dojść głównie w przypadku ekspozycji na promieniowanie laserowe.

Oczy są narażone na szkodliwe działanie podczerwieni w większym stopniu niż skóra. Gałka oczna w zasadzie nie ma mechanizmów (receptorów ciepła) ostrzegających przed tym rodzajem promieniowania. Podczerwień jest najsilniej pochłaniana przez rogówkę: całkowicie w paśmie IR-C i częściowo w paśmie IR-B (powyżej 2500 nm). W rogówce znajdują się receptory wywołujące ból, gdy jej temperatura osiągnie około 47 ^oC. Natomiast oparzenie rogówki może wystąpić już w temperaturze o kilka stopni niższe. Dlatego ekspozycja oka na promieniowanie o dużym natężeniu może prowadzić do poparzenia rogówki.

Do soczewki oka dociera przede wszystkim promieniowanie z pasma podczerwieni bliskiej IR-A oraz częściowo z pasma IR-B (o długościach fali poniżej 2400 nm). Gdy poziom natężenia promieniowania jest duży, wówczas następuje przegrzanie soczewki ułatwione brakiem w niej naczyń krwionośnych, poprzez które ciepło mogłoby być odprowadzone. Wzrost temperatury soczewki następuje, według jednej z teorii, głównie na skutek bezpośredniej absorpcji promieniowania przez soczewkę, a według innej - przede wszystkim na skutek pośredniego przekazywania ciepła soczewce przez tęczówkę. W wyniku przegrzania może dojść do zmian chemicznych związków białkowych soczewki, co objawia się powstawaniem zmętnienia soczewki (zaćmy). Zaćma jest nieodwracalną i często spotykaną chorobą oczu powstającą na skutek działania podczerwieni. Najczęściej występuje ona u pracowników zatrudnionych w przemyśle hutniczym, którzy są narażeni na intensywne działanie podczerwieni (stąd często używa się określenia "zaćma hutnicza"). Zaćma występuje w licznych odmianach i objawia się zazwyczaj po wieloletnim okresie narażenia. Średni wiek pracowników, u których stwierdzono zaćmę powstałą na skutek ekspozycji oczu na podczerwień na stanowiskach pracy, wynosi w Polsce 46 ÷ 60 lat (przy okresie narażenia 20 ÷ 30 lat).

Długotrwała ekspozycja na promieniowanie podczerwone może również wywoływać stany zapalne tęczówek i spojówek, wysuszanie powiek i rogówek oraz zapalenie brzegów powiek.

Promieniowanie podczerwone z zakresu IR-A (780 ÷ 1400 nm) dociera do siatkówki oka, co przy dużym natężeniu napromienienia może prowadzić do jej uszkodzenia termicznego. Widmowa skuteczność termiczna Rl bliskiej podczerwieni w wypadku siatkówki oka wynosi Rl = 10[(700 - l) / 500] dla długości fali 780 ÷ 1050 nm oraz Rl = 0,2 dla l zawartego w zakresie 1050 ÷ 1400 nm.

Warto dodać, że promieniowanie podczerwone (podobnie jak nadfioletowe) może również mieć korzystny wpływ na organizm człowieka i dlatego jest stosowane w medycynie do zabiegów terapeutycznych.

Sposoby ochrony człowieka przed nadmiernym promieniowaniem optycznym w środowisku pracy

Podstawowe sposoby ochrony człowieka przed promieniowaniem optycznym w środowisku pracy to:

• uwzględnienie zagrożenia promieniowaniem na etapie projektowania oraz urządzania stanowisk pracy

• automatyzacja produkcji

• szkolenie pracowników na temat zagrożenia i ochrony przed promieniowaniem

• systematyczna kontrola zagrożenia promieniowaniem (np. przez wykonywanie pomiarów kontrolnych)

• odpowiednia organizacja pracy na stanowiskach

• dobór i stosowanie właściwych środków ochrony zbiorowej

• dobór i stosowanie właściwych środków ochrony indywidualnej

• badania lekarskie pracowników zatrudnionych na stanowiskach, na których występuje nadmierna ekspozycja na promieniowanie optyczne.

---