Каковы свойства лазерного пучка от каких конструктивных особенностей они зависят
Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно высокой степенью монохроматичности, когерентности, направленности и яркости. К этим свойствам можно добавить генерацию световых импульсов малой длительности. Это свойство, возможно, менее фундаментально, но оно играет очень важную роль. Рассмотрим теперь эти свойства подробнее.
1.4.1. Монохроматичность
Не слишком вдаваясь в детали, можно сказать, что это свойство определяется двумя следующими обстоятельствами:
1) усиливаться может электромагнитная волна только с частотой V, определяемой выражением (1.1); 2) поскольку устройство из двух зеркал образует резонатор, генерация может возникать только на резонансных частотах этого резонатора. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии лазерного излучения часто бывает много уже (приблизительно на шесть порядков величины!), чем обычная ширина линии перехода которая наблюдается при спонтанном излучении.
1.4.2. Когерентность
Для любой электромагнитной волны можно определить два независимых понятия когерентности, а именно пространственную и временную когерентность.
Для того чтобы определить пространственную когерентность, рассмотрим две точки выбранные с таким условием,
что в момент времени через них проходит волновой фронт некоторой электромагнитной волны, и пусть соответствующие электрические поля в этих точках. Согласно нашему условию, в момент времени разность фаз электрических полей в данных точках равна нулю. Если эта разность фаз остается равной нулю в любой момент времени то говорят, что между двумя точками имеется полная когерентность. Если такое условие выполняется для любых пар точек волнового фронта, то данная волна характеризуется полной пространственной когерентностью. Практически для любой точки если мы имеем достаточную корреляцию фаз, точка должна располагаться внутри некоторой конечной области, включающей точку
Рис. 1.5. Пример электромагнитной волны с временем когерентности порядка
В этом случае говорят, что волна характеризуется частичной пространственной когерентностью, причем для любой точки Р можно соответственно определить область когерентности
Для того чтобы определить временную когерентность, рассмотрим электрическое поле волны в данной точке Р в моменты времени и . Если для данного интервала времени разность фаз колебаний поля остается одной и той же в любой момент времени то говорят, что существует временная когерентность на интервале времени т. Если такое условие выполняется для любого значения то волна характеризуется полной временной когерентностью. Если же это имеет место лишь для определенного интервала времени такого, что то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности то. На рис. 1.5
в качестве примера показана электромагнитная волна с временем когерентности то, которая имеет вид синусоидального электрического поля со скачкообразным изменением фазы через интервалы времени Мы видим, что представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. В дальнейшем (в гл. 7) будет показано, хотя это очевидно из рис. 1.5, что электромагнитная волна с временем когерентности, равным то, имеет спектральную ширину . В той же главе покажем, что в случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина
Следует заметить, что понятия временной и пространственной когерентности на самом деле не зависят друг от друга. Действительно, можно привести примеры волны, имеющей полную пространственную когерентность, но лишь частичную временную когерентность, и наоборот. Если волна, показанная на рис. 1.5, представляет электрические поля в точках рассмотренных выше, то пространственная когерентность в этих точках будет полной, в то время как временная когерентность лишь частичной.
В заключение этого раздела подчеркнем, что понятия пространственной и временной когерентности дают описание лазерной когерентности только в первом порядке. Свойства когерентности высших порядков будут рассмотрены в гл. 7. Для полного понимания различия между обычным источником света и лазером подобное рассмотрение очень существенно. Будет показано, что действительно вследствие различия между соответствующими свойствами когерентности высших порядков лазерный пучок коренным образом отличается от традиционных источников света.
1.4.3. Направленность
Это свойство является простым следствием того, что активная среда помещена в резонатор, например плоскопараллельный резонатор, показанный на рис. 1.3. В таком резонаторе могут поддерживаться только такие электромагнитные волны, которые распространяются вдоль оси резонатора или в очень близком к оси направлении. Для более глубокого понимания свойств направленности лазерных пучков (или в общем случае любой электромагнитной волны) удобно рассмотреть отдельно случаи, когда пучок обладает полной пространственной
когерентностью и когда он имеет частичную пространственную когерентность.
Рассмотрим вначале пучок с полной пространственной когерентностью. Даже в этом случае пучок с конечной апертурой неизбежно расходится вследствие дифракции. Это нетрудно понять с помощью рис. 1.6. На этом рисунке пучок с постоянной интенсивностью и плоским волновым фронтом падает на экран в котором имеется отверстие диаметром Согласно принципу Гюйгенса волновой фронт в некоторой плоскости Р за экраном может быть получен путем суперпозиции элементарных волн, излученных каждой точкой отверстия. Мы видим, что из-за конечного размера отверстия пучок имеет конечную расходимость Ее значение можно вычислить с помощью теории дифракции. Для произвольного распределения амплитуды имеем
здесь X — длина волны, диаметр пучка. В соотношении — числовой коэффициент порядка единицы, значение которого зависит от формы распределения амплитуд и способа, каким определяются расходимость и диаметр пучка. Пучок, расходимость которого описывается выражением (1.11), называется дифракционно-ограниченным.
Рис. 1.6. Расходимость плоской электромагнитной волны вследствие дифракции.
Если волна имеет частичную пространственную когерентность, то ее расходимость будет больше, чем минимальное значение расходимости, обусловленное дифракцией. Действительно, для любой точки Р волнового фронта принцип Гюйгенса (рис. 1.6) может быть применен только к точкам, расположенным в пределах области когерентности около Р. Таким образом, область когерентности действует как ограничивающая апертура для когерентной суперпозиции элементарных волн. Расходимость пучка теперь запишется в виде
где, как и прежде, — числовой коэффициент порядка единицы, точное значение которого зависит от способа, каким определяются расходимость и область когерентности
В заключение этого общего рассмотрения свойств направленности электромагнитных волн следует заметить, что при соответствующих условиях работы выходной пучок лазера можно сделать дифракционно-ограниченным.
1.4.4. Яркость
Определим яркость какого-либо источника электромагнитных волн как мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности источника в единичный телесный угол. Точнее говоря, рассмотрим элемент площади поверхности источника в точке О (рис. 1.7). Тогда мощность излучаемая элементом поверхности в телесный угол в направлении , может быть записана следующим образом
здесь — угол между направлением и нормалью к поверхности Величина В зависит, как правило, от полярных координат и т. е. от направления и от положения точки О. Эта величина В называется яркостью источника в точке О в направлении 00. В выражении (1.13) множитель обусловлен тем, что физически важной величиной является проекция на плоскость, перпендикулярную направлению . Если В не зависит от 0 и то говорят, что источник является изотропным (источником Ламберта). Яркость лазера даже небольшой мощности (например, несколько милливатт) на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство в основном является следствием высокой направленности лазерного пучка.
Рис. 1.7. Поверхностная яркость источника электромагнитного излучения в точке О.
1.4.5. Импульсы малой длительности
Не вдаваясь на этом этапе в какие-либо детали, заметим лишь, что при помощи специального метода, называемого синхронизацией мод, можно получить импульсы света, длительность которых приблизительно обратно пропорциональна ширине линии перехода Например, в газовых лазерах, ширина линии усиления которых относительно узкая, можно получать импульсы излучения длительностью не. Такие импульсы не рассматриваются как очень короткие, поскольку даже
некоторые лампы-вспышки способны излучать световые импульсы длительностью менее 1 не. Однако у твердотельных или жидкостных лазеров ширины линий усиления могут быть в раз больше, чем у газовых лазеров, и поэтому генерируемые ими импульсы оказываются значительно короче до Получение столь коротких импульсов света привело к новым возможностям в лазерных исследованиях и их применениях.
Следует заметить, что свойство генерации коротких импульсов, которое подразумевает концентрацию энергии во времени, в некотором смысле аналогично свойству монохроматичности, означающему концентрацию энергии в узком диапазоне длин волн. Однако генерация коротких импульсов является, по-видимому, менее фундаментальным свойством, чем монохроматичность. В то время как любой лазер можно в принципе изготовить таким, что он будет генерировать достаточно монохроматическое излучение, короткие импульсы можно получать лишь от лазеров с широкой линией излучения, т. е. на практике только от твердотельных или жидкостных лазеров. Газовые же лазеры, обладающие более узкими линиями усиления, лучше всего подходят для генерации высокомонохроматического излучения.
Источник
Устройство лазера и свойства вынужденного излучения обуславливают отличие лазерного излучения от излучения обычных источников света. Лазерное излучение (ЛИ) характеризуется следующими важнейшими свойствами.
1. Высококогерентностъ. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного индуцированного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. а) (в следствии пространственной когерентности излучение может быть сфокусировано в очень малом объеме).
2. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, то есть содержит волны практически одинаковой частоты (фотоны имеют одинаковую энергию). Это обусловлено тем, что вынужденное излучение связано с дублированием фотонов (каждый индуцированный фотон полностью подобен первоначальному). При этом формируется электромагнитная волна постоянной частоты. Ширина спектральной линии составляет 0,01 нм. На рис. в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.
До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов – монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.
3. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения – до 105Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3·10–12с. Мощность в импульсе равна Р = E/t = 2,5·1013Вт (для сравнения: мощность ГЭС Р ~ 109Вт).
4. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 1014-1016Вт/см2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см2).
5. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 1015кд/м2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 109 кд/м2).
6. Давление. Лазерный луч при падении на поверхность оказывает давление (р). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, величина создается давление р = I/с, где I– интенсивность излучения, с – скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. При интенсивности I = 1014Вт/см2= 1018 Вт/м2, р = 3,3·109Па = 33000 атм.
7. Малый угол расходимости в пучке. Коллимированностъ. Излучение является коллимированным, то есть все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис.6). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре (для большинства лазеров угол расходимости составляет 1 угловую минуту или меньше). Так как угол расходимости мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Остронаправленность позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.
8. Поляризованностъ. Лазерное излучение полностью поляризовано.
Источник
Благодаря своим уникальным свойствам лазерные устройства широко применяются в различных областях промышленности, науки, техники, связи, сельском хозяйстве, медицине, биологии и др. Параллельно расширяется круг лиц, подвергающихся воздействию лазерного излучения.
Классификация лазеров может быть представлена следующим образом:
по характеру активной среды.
- • твердотельные;
- • газовые;
- • полупроводниковые;
- • жидкостные;
по характеру свечения.
- • импульсные;
- • непрерывные.
В основу классификации лазеров, приведенной в СанПиН 5804—91 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров», положена степень опасности генерируемого лазерного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры разделены на четыре класса:
- • класс I (безопасные) — полностью безопасные лазеры, т.е. такие лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи;
- • класс II (малоопасные) — лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком; диффузно отраженное излучение безопасно как для кожи, так и для глаз;
- • класс III (среднеопасные) — лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) при облучении кожи коллимированным излучением. Диффузно отраженное излучение не представляет опасности для кожи. Этот класс распространяется только на лазеры, генерирующие излучение в спектральном диапазоне II;
- • класс IV (высокоопасные) — лазеры, диффузно отраженное излучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.
Классификация определяет специфику воздействия излучения на орган зрения и кожу. В качестве основных критериев при оценке степени опасности генерируемого лазерного излучения приняты величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиция облучения (табл. 4.5).
Таблица 4.5
Критический предел мощности излучений в зависимости от вида лазера
Вид лазера | Длина волны, мкм | Верхний предел мощности | |||
Класс I, мкВт | Класс II, мВт | Класс III, Вт | Класс IV, Вт | ||
Гслий-нсоновый | 0,6328 | 6,8 | 1,0 | 0,5 | Менее 0,5 |
Аргоновый | 0,5145 | 0,4 | 1,0 | 0,5 | Менее 0,5 |
Углекислый | 10,6 | 0,8 | – | 0,5 | Менее 0,5 |
Воздействие лазерного излучения на организм человека. Работа с лазерами, в зависимости от конструкции, мощности, условий эксплуатации разнообразных лазерных систем и другого оборудования, может сопровождаться воздействием на персонал неблагоприятных производственных факторов, которые подразделяют на основные и сопутствующие. К основным факторам, возникающим при работе лазеров, относится прямое, зеркальное, диффузно отраженное и рассеянное излучения, степень их выраженности определяется особенностями технологического процесса. К сопутствующим факторам относится комплекс физических и химических факторов, возникающих при работе лазеров, которые имеют гигиеническое значение и могут усиливать неблагоприятное действие излучения на организм, а в ряде случаев имеют самостоятельное значение. В связи с этим при гигиенической оценке условий труда персонала учитывается весь комплекс факторов производственной среды.
По способу образования неблагоприятные факторы подразделяются на две группы. К первой группе относятся факторы, возникающие в результате собственно работы лазеров; степень их выраженности зависит от физико- технических параметров лазерной установки. Во вторую группу включены факторы, возникающие при взаимодействии ЛИ с обрабатываемыми материалами или с различными элементами системы по ходу луча (табл. 4.6).
Образование ряда сопутствующих факторов зависит от мощности излучения, конструктивных особенностей лазерных установок, физикохимических свойств обрабатываемых материалов, санитарно-технического оборудования технологических лазерных установок и производственных помещений.
Таблица 4.6
Производственно-профессиональные факторы при работе с источниками лазерного излучения
Группа | Неблагоприятные факторы | Источники (причины возникновения) |
1 — факторы, возникающие вследствие собственно работы лазеров, степень выраженности которых зависит от физико-технических параметров лазерной установки |
|
|
II — факторы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с материалами, которые обрабатываются, или с различными элементами системы за ходом луча |
|
|
Работа лазерных установок, как правило, сопровождается шумом. Па фоне постоянного шума, который может достигать уровня 70—80 дБ, имеют место звуковые импульсы с уровнем интенсивности 100—120 дБ, возникающие в результате перехода световой энергии в механическую в месте соприкосновения луча с обрабатываемой поверхностью или за счет работы механических затворов лазерных установок. Разряды ламп накачки, а также взаимодействие луча с воздухом сопровождаются выделением озона и оксидов азота.
Для гигиенической оценки вредных факторов необходимо руководствоваться существующими нормативными документами, регламентирующими величину ПДУ или ПДК указанных производственных факторов (табл. 4.7).
Таблица 4.7
Биологическое действие лазерного излучения
Системы и органы | Действующий фактор | Параметры повреждения | Жалобы, симптомы |
Зрительный анализатор | Прямое или зеркально отраженное лазерное излучение достаточной мощности с длиной волны в видимой или ближней инфракрасной области спектра |
в сетчатку с последующим образованием рубца и снижением остроты зрения |
ПИЯ |
Излучение в ультрафиолетовой и дальней инфракрасной области спектра | • Болезненные конъюнктивиты и ожоги роговицы, сходные с ожогами, наблюдающимися при дуговой сварке | ||
Газовые лазеры на С02 | • Развитие преходящих очагов помутнения в роговице глаза, обусловленных денатурацией белков | ||
Слуховой анализатор | Постоянный шум в 70—80 дБ; Звуковые импульсы в 100— 120 дБ |
|
и шума в голове, возникающие к концу рабочей смены или после работы. • Головокружение при перемене положения тела.
|
Системы и органы | Действующий фактор | Параметры повреждения | Жалобы, симптомы |
в виде покалываний, сердцебиения | |||
Кожа | Прямое или диффузно отраженное лазерное излучение |
|
|
При случайном повреждении глаз или кожи ЛИ пострадавший должен быть доставлен в здравпункт. В случае подозрения на поражение глаз или заметное повреждение кожи пострадавший должен быть обследован специалистом — офтальмологом или дерматологом и находиться под их наблюдением в течение нескольких дней.
Характер медицинской помощи при поражении глаз и их придатков определяется видом поражения, зависящим от длины волны излучения (табл. 4.8).
Таблица 4.8
Меры первой помощи при поражении лазерным излучением
Поражение | Первая помощь |
Поражения глаз ультрафи- олетовым излучением | Холодные примочки на веки марлей, смоченной водой |
Глазные капли (0,25%-ный раствор дикаина, 2,5%-ный раствор новокаина) | |
Ожоги век и роговой оболочки | Глазные капли (0,25%-ный раствор дикаина, 2,5%-ный раствор новокаина) |
Глазные мази (5%-ная левомицетиновая или 10%-ная сульфациловая) | |
Повязка на обожженные части с помощью индивидуального перевязочного пакета | |
Противостолбнячная сыворотка, бициллин | |
Ожог радужной оболочки, заднего отдела глаза или только глазного дна излу- чением видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазонов спектра | Глазные капли (0,1%-ный раствор атропина) |
Асептическая повязка на пораженный глаз и транспортировка к офтальмологу |
Средства защиты от лазерного излучения. Средства защиты должны снижать уровни ЛИ, действующего на человека, до величин ниже ПДУ. Они не должны уменьшать эффективность технологического процесса и работоспособность человека. Их защитные характеристики должны оставаться неизменными в течение установленного срока эксплуатации.
Средства защиты от ЛИ подразделяются на коллективные и индивидуальные. Выбор средства защиты в каждом конкретном случае осуществляется с учетом требований безопасности для данного процесса.
Средства коллективной защиты (СКЗ) должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.4.011—79 и ГОСТ 12.2.049—80. Средства индивидуальной защиты (СИЗ) применяются при проведении пусконаладочных и ремонтных работ, работ с открытыми лазерными изделиями типа лидара и т.п. Средства индивидуальной защиты должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.4.011—79 и маркироваться в соответствии с ГОСТ 12.4.115—82.
Средства индивидуальной защиты от лазерного излучения включают в себя средства защиты глаз и лица (защитные очки, щитки, насадки), средства защиты рук, специальную одежду.
При выборе средств индивидуальной защиты необходимо учитывать:
- • рабочую длину волны излучения;
- • оптическую плотность светофильтра.
Защитные лицевые щитки необходимо применять в тех случаях, когда лазерное излучение представляет опасность не только для глаз, но и для кожи лица.
При настройке резонаторов газовых лазеров, работающих в видимой области спектра, для защиты глаз следует применять защитные насадки. Защитные насадки могут использоваться самостоятельно или в сочетании с оптическими устройствами, такими как диоптрийная трубка.
Измерения интенсивности лазерного излучения и других сопутствующих факторов на рабочих местах рекомендуется проводить при вводе в эксплуатацию лазеров, изменении технологии и при проведении текущего санитарно-гигиенического контроля.
Уровень шума измеряется по ГОСТ 12.1.050—86 и оценивается но ГОСТ 12.1.003—83. Анализ воздушной среды рабочей зоны на содержание вредных веществ проводится по ГОСТ 12.1.005—88 и ГОСТ 12.1.007—76.
Основными нормативными правовыми актами при оценке условий труда с оптическими квантовыми генераторами являются:
«Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» № 5804-91;
Методические рекомендации «Гигиена труда при работе с лазерами», утвержденные М3 РСФСР 27 апреля 1981 г.;
ГОСТ 12.1.040—83 «Лазерная безопасность. Общие положения».
Медицинский контроль. К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие 18 лет и не имеющие, в соответствии с приказом Министерства здравоохранения СССР № 555 от 27 сентября 1989 г., следующих медицинских противопоказаний:
- • хронические рецидивирующие заболевания кожи;
- • понижение остроты зрения — ниже 0,6 на одном глазу и ниже 0,5 на другом (острота зрения определяется с коррекцией). Допускаются следующие пределы аномалий рефракции, устанавливаемые скиаскопически на худшем глазу: близорукость — не более 6,0 Д; при нормальном глазном дне — до 10,0 Д; дальнозоркость в зависимости от коррекции — до 6,0 Д; сложный близорукий или дальнозоркий астигматизм в меридианах наибольшего значения — не более 3,0 Д; простой близорукий, простой дальнозоркий астигматизм — не более 3,0 Д;
- • катаракта.
Персонал, связанный с обслуживанием и эксплуатацией лазеров, должен проходить предварительные и периодические медицинские осмотры в соответствии с вышеупомянутым приказом.
Периодичность осмотров — один раз в год. Участие врачей-специали- стов: терапевт, невропатолог, офтальмолог, дерматовенеролог, акушер- гинеколог. Лабораторные и функциональные исследования: эритроциты, тромбоциты, лейкоцитарная формула, ЭКГ.
Обследование глаз должно выполняться специально подготовленными офтальмологами с обязательным включением дополнительных методов исследований.
В случае очевидного или подозреваемого опасного облучения глаз работающих должно проводиться внеочередное медицинское обследование пострадавшего специально подготовленными специалистами. Медицинское обследование должно дополняться гигиенической оценкой обстоятельств, при которых произошло опасное облучение.
При выявлении отклонений в состоянии здоровья персонала, препятствующих продолжению работы с лазерами, администрация, в соответствии с рекомендациями медицинской комиссии, с согласия работающего, решает вопрос о его трудоустройстве.
Источник