Лазерное излучение представляет собой особый вид электромагнитного излучения, генерируемого в диапазоне длин волн 0,1...1000 мкм. Лазеры широко применяются в самых различных областях человеческой деятельности благодаря таким уникальным свойствам, как высокая степень когерентности и монохроматичности излучения, малая расходимость луча, острая фокусировка излучения и возможность получения огромной плотности мощности излучения.

Лазерные системы помимо широкого научно-технического и промышленного использования имеют разнообразное применение в медицине, биологии, биотехнологии, генной инженерии и т.п.

По виду лазерное излучение подразделяют на прямое; рассеянное; зеркально-отраженное; диффузное.

Свойства лазерного излучения. Интенсивность излучения. В отличие от всех известных оптических источников излучение лазеров обладает чрезвычайно высокой интенсивностью. Мощность твердотельного оптического квантового генератора (ОКГ) может достигать 10 12 Вт. При фокусировке это излучение можно сконцентрировать в малом пятне. Плотность мощности лазерного излучения может достигать высоких значений - порядка 10 17 Вт см -2 и более. При воздействии такого излучения на вещество развиваются высокие температуры порядка 10 6 К. и выше. Естественно, что никакой тугоплавкий материал не выдержит такой плотности излучения. Время воздействия таких плотностей в случае импульсного действия гораздо меньше времени установления стационарного процесса, при этом происходит взаимодействие интенсивного излучения с веществом в локальном объеме, т.е. в области облучения, не затрагивая соседние области.

Ширина линии излучения и когерентность. Монохроматическая волна имеет строго определенную частоту колебаний:

Е = E 0 cos[(ωt - kх) + φ], (5.29)

где Е 0 - амплитуда вектора электрической напряженности поля; к - волновое число; x - координата оси распространения волны; φ - фаза (E 0 , ω, k, φ - не зависят от t).

При распространении в пространстве двух волн одинаковой частоты, но с разными фазами (φ 1 , φ 2), в любой момент времени разность фаз Δφ = (φ 1 -φ 2) будет оставаться постоянной. Две волны когерентны, если амплитуда, частота, фаза, поляризация и направление распространения этих волн остаются постоянными или изменяются по определенному закону. Идеальных монохроматических колебаний в природе не существует, так как каждый энергетический уровень имеет конечную ширину, связанную с временем жизни уровня. Из соотношения неопределенности (соотношение Гейзенберга) следует, что неопределенность значения верхнего уровня Δε при излучении связана с неопределенностью времени жизни этого уровня Δt соотношением

Длительность процесса излучения τ и естественная ширина линии излучения Δω = 2πΔν связаны выражением

(5.31)

Учитывая, что в лазере имеется оптический резонатор, в котором существуют собственные частоты (моды колебаний шириной Δν ρ), путем соответствующего выбора размеров резонатора и условий работы лазера можно получить высокую степень монохроматичности. В газовых лазерах сравнительно легко получить Δν ρ /ν 0 = 10 -10 (где v 0 - резонансная частота перехода) и даже меньше. Это выполняется в том случае, если в интервале Δν л на резонансной частоте ν 0 находится одна мода Δν м колебания резонатора (одномодовый режим). У твердотельных ОКГ монохроматичность хуже монохроматичности газовых лазеров. Высокая степень монохроматичности лазерных источников облегчает получение меньшего пятна r s при фокусировке. При этом хроматическая аберрация оптических линз практически не играет роли. Это свойство лазерных источников способствует получению значительных интенсивностей.

Лазерное излучение обладает высокой степенью временной и пространственной когерентности. Это свойство лазерного излучения способствует получению больших значений W s , так как малая расходимость лазерного потока способствует получению меньших значений r s . Понятие когерентности играет большое значение при использовании лазерного излучения в оптической локации.

Напряженность электрического поля. Лазерное излучение, обладая чрезвычайно высокой интенсивностью, позволяет получать высокие значения электрической напряженности в потоке. Эти значения сравнимы с внутриатомными полями. Максимальное значение электромагнитной связи электрона с протоном водорода Н определяется выражением

где е - заряд электрона; r 0 - радиус электронной орбиты.

При го = 10 -8 см величина Е н, = 10 9 В/см. Для других веществ это значение составляет 107...108 В/см.

Как известно, интенсивность поля (плотность мощности) связана с напряженностью электрического поля Е соотношением

где ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; с - скорость света.

При интенсивностях, например, 10 14 Вт · см -2 величина Е составляет примерно 10 8 В см -1 .

Лазерное излучение дает возможность относительно просто варьировать мощность лучевого потока, изменять направление его распространения при помощи фокусирующих линз, внешних коллиматоров, отражающих зеркал или специальных устройств.

Яркость. Свойства лазеров позволяют получить необычайно высокое значение яркости излучения. В табл. 5.10 представлены сравнительные значения яркости некоторых оптических источников, из которой видно, что яркость лазерного источника на много порядков превышает яркость Солнца и мощность искусственных источников спонтанного оптического излучения.

Таблица 5.10. Значения яркости некоторых источников

Угол расходимости пучка. Одной из важных характеристик лазерного излучения является направленность (коллимация) излучения. Важность коллимации заключается в том, что энергия, переносимая лазерным потоком, может быть собрана (сфокусирована) на малой площади.

Ограничение на угол расходимости лазерного потока накладывается дифракцией:

где θ - угол расходимости; К - числовой коэффициент порядка единицы (для однородного пучка К =1,22); λ - длина волны; d - диаметр выходной апертуры.

Классификация лазеров. Основной источник лазерного излучения - оптический квантовый генератор (лазер). Лазеры являются генераторами электромагнитных волн оптического диапазона, в которых используется вынужденное электромагнитное излучение молекул активного вещества, приводимого в возбужденное состояние источником накачки. Типы лазеров различаются видом активного вещества и способом накачки.

В твердотельных лазерах в качестве активного вещества используются кристаллы рубина, иттриево-алюминиевый гранат (АИГ) или стекло, активированное неодимом (Nd) или эрбием. Для возбуждения активного вещества применяют импульсные ксеноновые лампы. В режиме свободной генерации твердотельные лазеры генерируют импульсы длительностью 0,1-1 мс, с энергией десятки джоулей и мощностью в импульсе десятки или сотни киловатт (10 9 ...10 10 Вт). Угол расходимости луча в твердотельных лазерах составляет 20...30°.

В газовых лазерах активным веществом является газ или смесь газов, которые приводятся в возбужденное состояние газовым разрядом. Газовые лазеры характеризуются малым углом расхождения луча - всего 1...3°. Наибольшее распространение получили лазеры на смеси гелия (Не) и неона (Ne) с длиной волны генерации 0,63 мкм и лазеры на углекислом газе (СО 2) с длиной волны 10,6 мкм. Мощность гелий-неоновых лазеров невелика и составляет десятки или сотни милливатт. Лазеры на углекислом газе характеризуются большой мощностью - сотни ватт в непрерывном режиме и высоким КПД - 20...30%.

В полупроводниковых лазерах активным веществом является полупроводниковый кристалл. Возбуждение лазера осуществляется электрическим током, проходящим через кристалл. Максимальная мощность составляет около 100 Вт в импульсном режиме и несколько ватт - в непрерывном. Обладает углом расходимости луча в несколько градусов.

В жидкостных лазерах в качестве активного вещества используют обычно органические красители. Возбуждение активного вещества осуществляется или когерентным излучением другого лазера, или некогерентным излучением импульсных ламп. В жидкостных лазерах при соответствующем выборе активного вещества можно получить когерентное излучение с длинами волн от 0,34 до 11,75 мкм. Энергия излучения в импульсе составляет до 10 Дж.

Воздействие лазерного излучения на человека, живой организм, живую клетку многолико и противоречиво.

В настоящее время лазерное излучение используется и как хирургический нож для удаления злокачественных опухолей и других образований, и как тонкий инструмент в микрохирургии глаза, и как целительный луч для лечения самых разнообразных заболеваний сердца, печени, вегетативно-сосудистой системы, пищеварительного тракта и т.д.

С другой стороны, лазерное излучение представляет определенную опасность при неосторожном и неумелом его использовании. Даже работа с маломощным лазером представляет опасность, прежде всего для глаз.

Биологическое действие лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения, поэтому весь диапазон длин волн делится на области: ультрафиолетовая (0,2...0,4 мкм); видимая (0,4...0,5 мкм); инфракрасная - ближняя (0,75...1) и дальняя (свыше 1,0).

По степени опасности лазерного излучения для организма человека все лазерные установки подразделяются на четыре класса. К классу I относятся лазеры, излучение которых не представляет опасности для кожи и глаз человека, к классу II - излучение которых представляет опасность для глаз или кожи при облучении прямым или зеркально отраженным излучением.

Излучение лазеров класса III представляет опасность для глаз и кожи при облучении прямым или зеркально отраженным излучением и опасность для глаз при облучении диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

К классу IV относятся лазеры, излучение которых представляет опасность для кожи и глаз при облучении диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Деление лазеров на классы позволяет определить мероприятия по обеспечению безопасности при работе с лазерами различных типов.

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности и энергии излучения на единицу облучаемой поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты следования импульсов, времени облучения, площади облучаемой поверхности), локализации воздействия и от анатомо-физиологических особенностей облучаемых объектов.

В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения. Энергия излучения лазеров в биологических объектах (ткань, орган) может претерпевать различные превращения и вызывать органические изменения в облучаемых тканях (первичные эффекты) и неспецифические изменения, функционального характера (вторичные эффекты).

Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм, зависят от энергетической экспозиции в импульсе или энергетической освещенности, длины волны излучения, длительности импульса, частоты повторения импульсов, экспозиции воздействия и площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.

Лазерное излучение способно вызывать первичные эффекты, к которым относятся органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых тканях, и вторичные эффекты - неспецифические изменения, возникающие в организме в ответ на облучение.

Термический эффект импульсных лазеров большой интенсивности имеет специфические особенности. При действии излучения импульсного лазера в облучаемых тканях происходит быстрый нагрев структур. Причем, если излучение соответствует режиму свободной генерации, то за время импульса (длительность в пределах 1 мс) тепловая энергия вызывает термический ожог тканей. Лазеры, работающие в режиме модулированной добротности (с укороченным импульсом), излучают энергию за весьма короткое время (длительность импульса 1*10 -7 – 1*10 -12 с).

В результате быстрого нагрева структур до высоких температур происходит резкое повышение давления в облучаемых тканевых элементах, что приводит к механическому повреждению тканей. Например, в момент воздействия на глаз или на кожу импульс излучения субъективно ощущается как точечный удар. С увеличением энергии в импульсе излучения ударная волна возрастает.

Таким образом, лазерное излучение приводит к сочетанному термическому и механическому действию.

Влияние излучения лазера орган зрения. Эффект воздействия лазерного излучения на орган зрения в значительной степени зависит от длины волны и локализации воздействия. Выраженность морфологических изменений и клиническая картина расстройств функций зрения может быть от полной потери зрения (слепота) до инструментально выявляемых функциональных нарушений.

Лазерное излучение видимой и ближней ИК области спектра при попадании в орган зрения достигает сетчатки, а излучение ультрафиолетовой и дальней ИК областей спектра поглощается конъюнктивой, роговицей, хрусталиком.

Действие лазерного излучения на кожу. При применении лазеров большой, мощности и расширении их практического использования возросла опасность случайного повреждения не только органа зрения, но и кожных покровов и даже внутренних органов. Характер повреждений кожи или слизистых оболочек варьирует от легкой гиперемии до различной степени ожогов, вплоть до грубых патологических изменений типа некроза.

Различают 4 степени поражения кожи лазерным излучением:

I степень – ожоги эпидермиса: эритема, десквамация эпителия;

II – ожоги дермы: пузыри, деструкция поверхностных слоев дермы;

III - ожоги дермы: деструкция дермы до глубоких слоев;

IV - деструкция всей толщи кожи, подкожной клетчатки и подлежащих слоев

Действие лазерных излучений наряду с морфофункциональными изменениями тканей непосредственно в месте облучения вызывает разнообразные функциональные сдвиги в организме. В частности, развиваются изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной системах, которые могут приводить к нарушению здоровья. Биологический эффект воздействия лазерного излучения усиливается при неоднократных воздействиях и при комбинациях с другими факторами производственной среды.

37. УФ-излучение

Ультрафиолетовое (УФ) излучение представляет собой невидимое глазом электромагнитное излучение, занимающее в электромагнитном спектре промежуточное положение между светом и рентгеновским излучением.

Биологически активная часть УФ излучения делится на 3 части: спектральная область – А с длиной волны 400 - 315 нм, область В с длиной волны 315 - 280 нм и С - 280 – 200 нм. УФ-излучение более короткого диапазона (от 180 нм и ниже) сильно поглощается всеми материалами и средами, в том числе и воздухом, а потому может иметь место только в условиях вакуума.

УФ-лучи обладают способностью вызывать фотоэлектрический эффект, проявлять фотохимическую активность (развитие фотохимических реакций), вызывать люминесценцию и обладают.значительной биологической активностью. При этом УФ-лучи области А отличаются сравнительно слабым биологическим действием, возбуждают флюоресценцию органических соединений. Лучи области В обладают сильным эритемным и антирахитическим действием, а лучи области С активно действуют на тканевые белки и липиды, вызывают гемолиз и обладают выраженным антирахитическим действием.

Нормируемой величиной искусственного УФ-облучения является количество эритемного облучения, определяемое произведением эритемной облученности на время облучения. Эта величина аналогична освещенности и определяется плотностью эритемного потока.

Эритемный поток (Ф эр) – мощность эритемного излучения - представляет собой величину, характеризующую эффективность УФ-излучения по его полезному воздействию на человека и животных.

Производственные источники УФ-излучения

Наиболее распространенными искусственными источниками УФ-излучения на производстве являются электрические дуги, ртутно-кварцевые горелки, автогенное пламя. Все источники УФ-излучения принадлежат к так называемым температурным излучателям.

В условиях производства УФ-облучению подвергаются рабочие, занятые электросваркой, автогенной резкой и сваркой металла, плазменной резкой и сваркой, дефектоскопией; технический и медицинский персонал, работающий с ртутно-кварцевыми лампами при светокопировании, стерилизации воды и продуктов, персонал физиотерапевтических кабинетов; рабочие, занятые плавкой металлов и минералов с высокой температурой плавления на электрических, диабазовых, стекольных и других печах; рабочие, занятые производством ртутных выпрямителей; испытатели изоляторов и др. Сельскохозяйственные, строительные, дорожные рабочие и другие профессиональные группы подвергаются действию ультрафиолетового излучения солнечного спектра, особенно в осенне-летний период года.

Биологическое действие

Биологическое действие УФ-лучей солнечного света проявляется прежде всего в их положительном влиянии на организм человека. УФ-облучение - жизненно необходимый фактор. Известно, что при длительном недостатке солнечного света возникают нарушения физиологического равновесия организма, развивается своеобразный симптомокомплекс, именуемый «световое голодание».

Наиболее часто следствием недостатка солнечного света являются авитаминоз D, ослабление защитных иммунобиологических реакций организма, обострение хронических заболеваний, функциональные расстройства нервной системы.

К контингентам, испытывающим «световое голодание» организма или «ультрафиолетовую недостаточность», относятся рабочие шахт и рудников, люди, работающие в бесфонарных и безоконных цехах и на ряде других объектов, не имеющих естественного освещения, таких, как машинные отделения, метрополитен и др., а также работающие на Крайнем Севере.

УФ-облучение субэритемными и малыми эритемными дозами оказывает благоприятное стимулирующее действие на организм. Происходит повышение тонуса гипофизарно-надпочечниковой и симпатоадреналовой систем, активности митохондриальных и микросомальных ферментов и уровня неспецифического иммунитета, увеличивается секреция ряда гормонов. Наблюдается нормализация артериального давления, снижается уровень холестерина сыворотки, снижается проницаемость капилляров, повышается фагоцитарная активность лейкоцитов, увеличивается содержание сульфгидрильных групп; нормализуются все виды обмена.

Установлено, что под воздействием УФ-излучения наблюдается более интенсивное выведение химических веществ (марганца, ртути, свинца) из организма и уменьшение их токсического действия. Повышается сопротивляемость организма, снижается заболеваемость, в частности простудными заболеваниями, повышается устойчивость к охлаждению, снижается утомляемость, повышается работоспособность.

В целях профилактики «ультрафиолетового дефицита» используется как солнечное излучение - инсоляция помещений, световоздушные ванны, солярии, а также и УФ-облучение искусственными источниками.

Мероприятия по предупреждению «ультрафиолетовой недостаточности» в нашей стране закреплены санитарным законодательством.

Производственные помещения с постоянным пребыванием работающих, в которых естественное освещение отсутствует или недостаточно по биологическому действию, по требованию санитарных нормативов следует оборудовать установками искусственного УФ-излучения (с эритемными лампами). УФ-облучение рабочих может быть выполнено с помощью установок общего эритемного облучения, размещенных непосредственно в цехе, где работающие получают необходимую дозу облучения в течение рабочей смены, либо УФ-облучение рабочих производится в фотариях в течение 3 - 5 мин с использованием высоких уровней облучения.

УФ-излучение от производственных источников, в первую очередь электросварочных дуг, может стать причиной острых и хронических профессиональных поражений.

Наиболее подвержен действию УФ излучения зрительный анализатор.

Острые поражения глаз, так называемые электроофтальмии (фотоофтальмии), представляют собой острый коньюктивит или кератоконьюктивит. Заболеванию предшествует латентный период, продолжительность которого чаще всего составляет 12 ч. Проявляется заболевание ощущением постороннего тела или песка в глазах, светобоязнью, слезотечением, блефароспазмом. Нередко обнаруживается эритема кожи лица и век. Заболевание длится до 2 - 3 сут.

Профилактические мероприятия по предупреждению электроофтальмий сводятся к применению светозащитных очков или щитков при электросварочных и других работах.

С хроническими поражениями связывают хронический конъюнктивит, блефарит, катаракту хрусталика.

Кожные поражения протекают в виде острых дерматитов с эритемой, иногда отёком, вплоть до образования пузырей. Наряду с местной реакцией могут отмечаться общетоксические явления с повышением температуры, ознобом, головными болями, диспепсическими явлениями. В дальнейшем наступают гиперпигментация и шелушение. Классическим примером поражения кожи, вызванного УФ-излучением, служит солнечный ожог.

Хронические изменения кожных покровов, вызванные УФ-излучением, выражаются в «старении» (солнечный эластоз), развитии кератоза, атрофии эпидермиса, возможно развитие злокачественных новообразований.

Для защиты кожи от УФ-излучения используются защитная одежда, противосолнечные экраны (навесы и т.п.), специальные покровные кремы.

Влияние лазерного излучения на организм человека на данный момент изучено не полностью, но многие уверены в его негативном воздействии на всё живое. Лазерное излучение зарождается согласно принципу создания света и предполагает использование атомов, но с другим набором физических процессов. Именно по этой причине при лазерном излучении можно проследить воздействие внешнего электромагнитного поля.

Сфера применения

Лазерное излучение является узконаправленным вынужденным потоком энергии непрерывного или импульсного типа. В первом случае присутствует поток энергии одной мощности, а во втором – уровень мощности периодически достигает определенных пиковых значений. Образованию такой энергии помогает квантовый генератор, представленный лазером. Потоки энергии в этом случае являются электромагнитными волнами, которые относительно друг друга распространяются только параллельно. Благодаря такой особенности происходит создание минимального угла светового рассеивания и определенной точной направленности.

Источники лазерного излучения, основанные на его свойствах, достаточно широко применяются в самых разных областях человеческой жизнедеятельности, включая:

• науку – исследования и эксперименты, опыты и открытия;
• военно-оборонную промышленность;
• космическую навигацию;
• производственную сферу;
• техническую сферу;
• локальную термическую обработку – сварку и пайку, резку и гравировку;
• бытовое использование в виде лазерных датчиков считывания штрихкода, устройств считывания компакт-дисков, а также указок;
• лазерное напыление, заметно повышающее износостойкость металлов;
• создание современных голограмм;
• совершенствование различных оптических устройств;
• химическую промышленность – анализ и запуск реакций.

Особенно важным является использование устройств подобного типа в сфере современных медицинских технологий.

Лазер в медицине

С точки зрения современной медицины лазерное излучение является своеобразным и очень своевременным прорывом в области лечения пациентов, которые нуждаются в оперативном вмешательстве. Лазер активно применяется при производстве качественного хирургического инструментария.

К неоспоримым преимуществам хирургического лечения относится использование лазерного высокоточного скальпеля, позволяющего выполнять бескровные разрезы мягких тканей. Такой результат обеспечивается практически мгновенной спайкой капилляров и мелких сосудов. Во время применения лазерного инструмента хирург способен полностью видеть операционное поле. Лазерным потоком энергии ткани рассекаются на определенном расстоянии, при этом отсутствует контакт инструмента с сосудами и внутренними органами.

Важный приоритет применения современного хирургического инструмента представлен обеспечением абсолютной максимальной стерильности. Благодаря строгой направленности лучей все операции происходят с минимальными показателями травматизации, при этом стандартный реабилитационный период прошедших операцию пациентов становится значительно короче и намного быстрее возвращается полноценная трудоспособность.

Отличительная особенность применения во время операции лазерного скальпеля сегодня представлена безболезненностью в послеоперационный период. Очень быстрое развитие современных лазерных технологий способствовало значительному расширению возможностей его применения. Относительно недавно были обнаружены и доказаны с научной точки зрения свойства лазерного излучения оказывать положительное влияние на состояние кожных покровов, благодаря чему устройства подобного типа стали активно применяться в дерматологии и косметологии.

Области медицинского применения

Медицина является на сегодняшний день далеко не единственной, но очень перспективной сферой применения современного лазерного оборудования:

• процесс эпиляции с разрушениями волосяных луковиц и эффективным удалением волос;
• лечение выраженной угревой сыпи;
• эффективное удаление родимых и пигментных пятен;
• шлифование кожи;
• терапия бактериального поражения эпидермиса с обеззараживанием и уничтожением патогенной микрофлоры;
• предупреждение распространения инфекции разного генеза.

Самой первой отраслью, в которой стало активно использоваться лазерное оборудование и его излучение, является офтальмология. Направления микрохирургии глаза, в которых находит широкое применение лазерная технология, представлены:

• лазерной коагуляцией в виде использования термических свойств при лечении сосудистых глазных заболеваний, сопровождающихся поражением сосудов сетчатки и роговицы;
• фотодеструкцией в виде рассечения тканей на пиковой мощности лазерного оборудования при лечении и рассечении вторичной катаракты;
• фотоиспарением в виде длительного теплового воздействия при наличии воспалительных процессов глазного нерва, а также при конъюнктивите;
• фотоабляцией в виде постепенного удаления тканей при лечении дистрофических изменений глазной роговицы, устранении ее помутнения, при операционном лечении глаукомы;
• лазерной стимуляцией с противовоспалительным и рассасывающим воздействием, заметно улучшающим глазную трофику, а также при лечении склеритов, экссудации внутри глазной камеры и гемофтальмов.

Лазерное облучение достаточно широко используется в терапии онкологических заболеваний кожи. Наибольшую эффективность показывает современное лазерное оборудование при удалении меланобластомы. Данный метод также может применяться при лечении рака пищевода или опухолях прямой кишки на 1-2 стадиях. Следует отметить, что в условиях слишком глубокого расположения опухоли и множественных метастазах лазер практически совсем не эффективен.

Опасность излучения лазера

На данный момент относительно хорошо изучено негативное воздействие лазерного излучения на живые организмы. Облучение бывает рассеянным, прямым и отраженным. Отрицательное воздействие вызывает способность лазерных устройств излучать световые и тепловые потоки. Степень поражения напрямую зависит сразу от нескольких факторов, включая:

• длину электромагнитной волны;
• участок локализации негативного воздействия;
• поглотительные способности тканей.

Сильнее всего подвержены отрицательному влиянию энергии лазера глаза. Именно сетчатка глаза отличается чрезвычайной чувствительностью и может получать ожоги разной степени выраженности.

Последствиями такого влияния становятся частичная потеря пациентом зрения, а также полная и необратимая слепота. Источники негативного излучения чаще всего бывают представлены разными инфракрасными приборами-излучателями видимого света.

Симптоматика поражения сетчатки, радужки, хрусталика и роговицы лазером:

• болезненность и спазмы в глазах;
• выраженная отечность век;
• кровоизлияния разной степени;
• помутнение глазного хрусталика.

Облучение средней степени интенсивности может стать причиной термических ожогов кожных покровов. На месте контакта лазерного оборудования и кожных покровов в этом случае заметно резкое повышение температуры, сопровождающееся вскипанием и испарением межтканевой и внутриклеточной жидкости. При этом кожа приобретает характерное красное окрашивание. Под действием давления происходят разрывы тканевых структур и появляется отек, который может дополнятся внутрикожными кровоизлияниями. Впоследствии на местах ожога наблюдаются некротические участки, а в самых тяжелых случаях происходит заметное обугливание кожных покровов.

Признаки негативного воздействия

Отличительным признаком лазерного ожога являются четкие границы на пораженных участках кожи с пузырьками, которые образуются непосредственно в слоях эпидермиса, а не под ним. Рассеянное поражение кожи характеризуется практически мгновенной потерей чувствительности, а эритема проявляется спустя несколько дней, после воздействия облучения.

Основные признаки представлены:

• перепадами артериального давления;
• замедленным сердцебиением;
• повышенной потливостью;
• необъяснимой общей утомляемостью;
• чрезмерной раздражительностью.

Особенностью лазерного излучения инфракрасного спектра является проникновение глубоко внутрь, через ткани, с поражением внутренних органов. Характерное отличие глубокого ожога представлено чередованием здоровых и поврежденных тканей. Первоначально при лучевом воздействии люди не испытывают ощутимых болей, а к наиболее уязвимым органам относится печень. В целом, воздействие лазерного излучения на человеческих организм провоцирует функциональные расстройства в центральной нервной системе и сердечно-сосудистой деятельности.

Защита от негативного воздействия и меры предосторожности

Наибольший риск облучения возникает у людей, деятельность которых напрямую связана с использованием квантовых генераторов. Согласно принятым на сегодняшний день основным санитарным нормам, опасны для человека 2, 3 и 4 классы излучения.

Технические защитные методы представлены:

• грамотной планировкой промышленных помещений;
• правильной внутренней отделкой без зеркального отражения;
• соответствующим размещением лазерных установок;
• ограждением зон возможного облучения;
• соблюдением требований по обслуживанию и эксплуатации лазерного оборудования.

Индивидуальная защита включает в себя специальные очки и спецодежду, безопасные экраны и кожухи, а также призмы и линзы для отражения лучей. Сотрудники таких предприятий должны регулярно направляться на медицинские профилактические осмотры.

В бытовых условиях необходимо соблюдать осторожность и обязательно придерживаться определенных правил эксплуатации:

• не направлять источники излучения на светоотражающие поверхности;
• не направлять лазерный свет в глаза;
• хранить лазерные гаджеты в недоступном для маленьких детей месте.

Наиболее опасны для человеческого организма лазеры, имеющие прямое излучение, большую интенсивность, узкую и ограниченную направленность луча, а также слишком высокую плотность излучения.

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

• Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
• Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
• Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
• Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
• Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

• длина волны или область спектра излучения;
• оптическая плотность при определенной длине волны;
• максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
• тип лазерной системы;
• режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
• возможности отражения - зеркального и диффузного;
• поле зрения;
• наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
• комфорт;
• наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
• влияние на цветовое зрение;
• ударопрочность;
• возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Лазерное излучение – это узконаправленные вынужденные потоки энергии. Оно бывает непрерывным, одной мощности или импульсным, где мощность периодически достигает определенного пика. Энергия образуется с помощью квантового генератора – лазера. Поток энергии представляет собой электромагнитные волны, которые распространяются параллельно относительно друг друга. Это создает минимальный угол рассеивания света и определенную точную направленность.

Сфера применения лазерного излучения

Свойства лазерного излучения позволяет применять его в различных сферах жизнедеятельности человека:

• наука – исследования, опыты, эксперименты, открытия;
• военно-оборонная промышленность и космическая навигация;
• производственная и техническая сфера;
• локальная термическая обработка – сварка, резка, гравировка, паяние;
• бытовое применение – лазерные датчики для считывания штрихкода, устройства для считывания компактных дисков, указки;
• лазерное напыление для повышения износостойкости металла;
• создание голограмм;
• усовершенствование оптических устройств;
• химическая промышленность – запуск и анализ реакций.

Применение лазера в медицине

Лазерное излучение в медицине – это прорыв в лечении пациентов, требующих оперативного вмешательства. Лазер применяют для производства хирургического инструментария.

Неоспоримые преимущества хирургического лечения лазерным скальпелем очевидны. Он позволяет сделать бескровный разрез мягких тканей. Это обеспечивается мгновенной спайкой мелких сосудов и капилляров. Во время использования такого инструмента хирург полностью видит все операционное поле. Лазерный поток энергии рассекает на определенном расстоянии, не контактируя с внутренними органами и сосудами.

Важным приоритетом является обеспечение абсолютной стерильности. Строгая направленность лучей позволяет делать операции с минимальной травматизацией. Реабилитационный период пациентов значительно сокращается. Быстрее возвращается трудоспособность человека. Отличительной особенностью применения лазерного скальпеля является безболезненность в послеоперационный период.

Развитие лазерных технологий позволило расширить возможности его применения. Были обнаружены свойства лазерного излучения положительно влиять на состояние кожи. Поэтому его активно применяют в косметологии и дерматологии.

В зависимости от своего типа, кожа человека по-разному поглощает лучи и реагирует на них. Аппараты лазерного излучения могут создать нужную длину волны в каждом конкретном случае.

Применение:

• эпиляция – разрушение волосяной луковицы и удаления волос;
• лечение угревой сыпи;
• удаление пигментных и родимых пятен;
• шлифовка кожи;
• применение при бактериальном поражении эпидермиса (обеззараживает, убивает патогенную микрофлору), излучение лазера предупреждает распространение инфекции.

Офтальмология – это первая отрасль, которая применила лазерное излучение. Направления в применении лазеров в микрохирургии глаза:

• лазеркоагуляция – использование термических свойств для лечения сосудистых заболеваний глаза (поражение сосудов роговицы, сетчатки);
• фотодеструкция – рассечение тканей на пике мощности лазера (вторичная катаракта и ее рассечение);
• фотоиспарение – длительное воздействие тепла, применяют при воспалительных процессах глазного нерва, при конъюнктивите;
• фотоабляция – постепенное удаление тканей, используют для лечения дистрофических изменений роговицы, устраняет ее помутнение, операционное лечение глаукомы;
• лазерстимуляция – оказывает противовоспалительное, рассасывающее действие, улучшает трофику глаза, применяется для лечения склеритов, экссудации в камере глаза, гемофтальмов.

Лазерное облучение используется при онкологических заболеваниях кожи. Наиболее эффективен лазер для удаления меланобластомы. Иногда метод применяют для лечения рака пищевода или прямой кишки 1-2 стадии. При глубоком расположении опухоли и метастазах лазер не эффективен.

Какую опасность представляет лазер для человека

Влияние лазерного излучения на организм человека может быть негативным. Облучение может быть прямым, рассеянным и отраженным. Негативное воздействие обеспечивается световыми и тепловыми свойствами лучей. Степень поражения зависит от нескольких факторов – длина электромагнитной волны, место локализации воздействия, поглотительная способность тканей.

Наиболее подвержены влиянию лазерной энергии глаза. Сетчатка глаза очень чувствительна, поэтому часто случаются ее ожоги. Последствия – частичная потеря зрения, необратимая слепота. Источник лазерного излучения – инфракрасные приборы-излучатели видимого света.

Симптомы поражения радужки, сетчатки, роговицы, хрусталика лазером:

• болезненные ощущения и спазмы в глазу;
• отек век;
• кровоизлияния;
• помутнение хрусталика.

При облучении средней интенсивности возникают термические ожоги кожи. В месте контакта лазера и кожи резко повышается температура. Происходит вскипание и испарение внутриклеточной и межтканевой жидкости. Кожа становится красной. Под давлением происходит разрыв тканевых структур. На коже появляется отек, в некоторых случаях внутрикожные кровоизлияния. Впоследствии на месте ожога появляются некротические (омертвевшие) участки. В тяжелых случаях обугливание кожи происходит моментально.

Отличительный признак лазерного ожога – четкие границы поражения кожи, а пузыри образуются в эпидермисе, а не под ним.

При рассеянном поражении кожи в месте поражения она становится нечувствительной, а эритема появляется через несколько дней.

Лазерное излучение инфракрасного спектра может проникать глубоко через ткани и поражать внутренние органы. Характерность глубокого ожога – чередование здоровой и поврежденной ткани. Первоначально при воздействии лучей человек не испытывает боли. Наиболее уязвимый орган – печень.

Воздействие излучения на организм в целом вызывает функциональные расстройства центральной нервной системы, сердечно-сосудистой деятельности.

Признаки:

• перепады артериального давления;
• повышенная потливость;
• необъяснимая общая утомляемость;
• раздражительность.

Меры предосторожности и защиты от лазерного излучения

Наиболее риску облучения подвержены люди, деятельность которых связана с применением квантовых генераторов.

В соответствии с санитарными нормами лазерное излучение разделяется на четыре класса опасности. Для организма человека опасность представляет второй, третий, четвертый классы.

Технические методы защиты от лазерного излучения:

1. Правильная планировка промышленных помещений, внутренняя отделка должна соответствовать правилам техники безопасности (лазерные лучи не должны зеркально отражаться).
2. Соответствующее размещение излучающих установок.
3. Ограждение зоны возможного облучения.
4. Порядок и соблюдение правил обслуживания и эксплуатации оборудования.

Еще одна защита от лазера – индивидуальная. Она включает такие средства: очки от лазерного излучения, защитные кожухи и экраны, комплект спецодежды (технологические халаты и перчатки), линзы и призмы, отражающие лучи. Все сотрудники регулярно должны проходить профилактические медицинские осмотры.

Использование лазера в быту тоже бывает опасным для здоровья. Неправильная эксплуатация световых указок, лазерных фонариков может нанести непоправимый вред человеку. Защита от лазерного излучения предусматривает простые правила:

1. Нельзя направлять источник излучения на стекла и зеркала.
2. Категорически запрещено направлять лазер в глаза себе или другому человеку.
3. Хранить гаджеты с лазерным излучением необходимо в недоступном для детей месте.

Действие лазера, в зависимости от модификации излучателя, бывает тепловым, энергетическим, фотохимическим и механическим. Наибольшую опасность представляет лазер с прямым излучением, с большой интенсивностью, узкой и ограниченной направленностью луча, высокой плотностью излучения. К опасным факторам, которые способствуют получению облучения, относится высокое производственное напряжение в сети, загрязнение воздуха химическими веществами, интенсивный шум, рентгеновское излучение. Биологические эффекты от лазерного излучения делятся на первичные (местный ожог), и вторичные (неспецифические изменения как ответная реакция всего организма). Следует помнить, что бездумное применение самодельных лазеров, световых указок, светильников, лазерных фонариков может нанести окружающим непоправимый вред.