Kĩ thuật an toàn laser

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Laser argon-ion, và laser krypton-ion ít thông dụng hơn, tạo ra bức xạ ở những bước sóng bội được khai thác rộng rãi trong các công nghệ quang như kính hiển vi đồng tiêu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kĩ thuật an toàn laser

Kĩ thuật an toàn laser Laser argon-ion, và laser krypton-ion ít thông dụng hơn, tạo ra bức xạ ở những bước sóng bội được khai thác rộng rãi trong các công nghệ quang như kính hiển vi đồng tiêu. Laser argon thường được phân vào loại IIIB hoặc loại IV dưới mã an toàn ANSI, và cần phải tránh phơi sáng trực tiếp trước chùm tia này. Các tia lam-lục từ một chùm laser argon-ion kết hợp cao có thể lọt vào mắt tới võng mạc, gây ra sự phá hủy vĩnh viễn. Kính bảo hộ an toàn có sẵn mang lại sự hấp thụ mạnh các vạch phát xạ chính, và sẽ bảo vệ mắt khỏi bị tổn hại. Laser krypton-ion tạo ra bước sóng dài hơn một chút so với laser argon-ion, và ở công suất thấp hơn, một phần do chúng phát ra các vạch bước sóng khả kiến bội phân bố rộng trong quang phổ. Sự phân bố năng lượng rộng rãi đưa đến vấn đề là các kính lọc bảo hộ được thiết kể nhằm hấp thụ toàn bộ phát xạ laser sẽ chặn đa số ánh sáng khả kiến, làm hạn chế tính thực tiễn của việc sử dụng chúng. Yêu cầu phải cẩn thận hết sức ở những nơi có liên quan tới laser krypton-ion, nhằm tránh phơi sáng mắt trước phát xạ vạch bội. Laser sử dụng hỗn hợp krypton-argon trở nên phổ biến trong kính hiển vi huỳnh quang dùng cho các nghiên cứu huỳnh quang bội yêu cầu sự phát xạ bền vững ở một vài bước sóng, và phải thận trọng bảo vệ mắt khỏi toàn bộ phát xạ có thể đi vào võng mạc. Ngoài ra, những laser phóng điện khí này tạo ra
bước sóng tử ngoại bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thể của mắt, và vì mối nguy hiểm của sự phát xạ sóng liên tục trong vùng phổ này được biết rất ít, nên cần phải mang kính bảo hộ hấp thụ tử ngoại. Laser krypton-ion phát ra ở một vài bước sóng trong vùng hồng ngoại gần hầu như không nhìn thấy, nhưng có thể gây ra sự tổn hại võng mạc gay gắt, bất chấp hình thức khó hình dung của chúng. Mối nguy hiểm điện có mặt do việc áp dụng điện thế cao để kích hoạt sự phóng điện laser, và dòng điện tương đối cao do yêu cầu duy trì sự phát xạ. Laser sử dụng hỗn hợp helium-neon được sử dụng rất rộng rãi trong những dụng cụ như máy quét mã vạch siêu thị và thiết bị đo đạc, và chúng có công suất chừng vài mili watt hoặc thấp hơn, nên mức nguy hại tương đương với ánh sáng Mặt Trời trực tiếp. Một sự nhìn thoáng qua tình cờ trong chốc lát tại một chùm công suất thấp không làm hỏng mắt, nhưng ánh sáng kết hợp cao từ laser He-Ne có thể hội tụ lên một đốm rất nhỏ trên võng mạc, và sự phơi sáng liên tục có thể làm thương tổn lâu dài. Vạch phát xạ He-Ne cơ bản tại 632nm, nhưng khác nhau ở bước sóng phát ra từ ánh sáng lục cho đến ánh sáng hồng ngoại thường có sẵn trên thị trường. Các phiên bản công suất cao hơn của laser He-Ne có mức độ nguy hiểm lớn hơn nhiều, và phải sử dụng thật thận trọng. Không có cách dự đoán mức độ phơi sáng sẽ tạo ra mức thương tổn cho mắt nhất định. Quy định an toàn chủ yếu được tuân thủ đối với loịa laser này tránh hết mọi thứ, trừ việc nhất thời nhìn qua chùm tia, và quan sát các cảnh báo thường dùng liên quan tới điện thế cao có mặt trong bộ cấp nguồn. Một loại laser phóng điện khí khác, dựa trên hệ heli-cadmi, được sử dụng rộng rãi trong kính hiển vi quét đồng tiêu, khai thác các vạch phát xạ tím-lam và tử ngoại tại 442nm và 325nm. Nguy hiểm chủ yếu đối với mắt do vạch lam là làm phá hủy võng mạc, được xem là dễ bị thương tổn hơn ở những mức phơi sáng thấp tại bước sóng này so với các bước sóng khả kiến dài hơn. Do đó, cả ở mức công suất thấp, laser He-Cd vẫn phải đảm bảo cẩn thận các thủ tục an toàn. Rất ít bức xạ tử
ngoại 325nm có khả năng đi tới võng mạc do bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thể, và sự phơi sáng lâu dài có thể góp phần làm đục thủy tinh thể. Việc đeo kính bảo hộ an toàn thích hợp có thể bảo vệ chống lại mối nguy hại tiềm tàng này. Một vấn đề khó có mặt trong những biến thể mới đây hơn của lase He-Cd là chúng phát ra đồng thời các bước sóng đỏ, lục và lam. Bất cứ nỗ lực nào muốn lọc cả ba bước sóng này bằng kính bảo hộ đều làm chặn lại phần nhiều phổ khả kiến nên người dùng không thể nhìn trọn vẹn để tiến hành những công việc cần thiết. Nếu chỉ có hai trong số các vạch phát xạ bị lọc, thì sự rủi ro còn lại từ bước sóng thứ ba, yêu cầu phải đo đạc cẩn thận để tránh phơi sáng. Laser nitrogen phát ra vạch tử ngoại tại 337,1nm và được dùng làm nguồn dạng xung cho một số kính hiển vi và ứng dụng quang phổ kế. Những laser này thường được dùng để bơm các phân tử chất nhu ộm nhằm tạo ra thêm những vạch có bước sóng dài hơn trong những kĩ thuật ghi ảnh nhất định. Laser nitrogen có khả năng phát ra công suất cao ở tốc độ lặp xung cực kì cao. Sự tổn hại màng sừng có thể do phơi sáng trước chùm tia đó, và mặc dù sự hấp thụ trong thủy tinh thể bảo vệ võng mạc khỏi các bước sóng tử ngoại gần đến một chừng mực nào đó, nhưng không chắc chắn đây có đủ để ngăn ngừa sự thương tổn võng mạc từ các xung công suất cao đó hay không. Cách thức an toàn nhất là phải đảm bảo bảo vệ mắt trọn vẹn khi loại laser này được sử dụng. Ngoài ra, điện thế cao cần thiết để điều khiển laser nitrogen, và sự đề phòng là cần thiết nhằm đảm bảo sự phóng điện của tất cả các bộ phận cấp nguồn trước khi tiếp xúc với chúng. Laser trạng thái rắn phổ biến nhất chế tạo từ neodymium ion hóa pha tạp ở mức độ không tinh khiết trong tinh thể chủ. Chất chủ được sử dụng rộng rãi nhất cho pha tạp neodymium là ngọc hồng lựu yttrium nhôm, một tinh thể nhân tạo hình thành nên cơ sở laser Nd:YAG. Laser neodymium nói chung có sẵn rất đa dạng, phát ra trong một vùng rộng công suất cả dạng chùm liên tục và dạng xung. Chúng có thể được bơm quang học bằng một laser bán dẫn, bằng đèn flash dạng xung, hoặc bằng đèn hồ quang, và đặc trưng của chúng thay đổi rộng tùy thuộc vào thiết kế và mục đích chế tạo. Vì có phạm vi ứng dụng rộng rãi, nên chúng có những
nguy hại nhất định, laser neodymium có khả năng gây thương tổn cho mắt hơn bất kì loại nào khác. Laser neodymium YAG phát ra ánh sáng hồng ngoại gần 1064nm có thể làm thương tổn gay gắt cho võng mạc, và vì nó không nhìn thấy nên khả năng thương tổn là do các chùm phản xạ tăng lên. Đa số laser loại này sử dụng trong kính hiển vi được bơm bằng doide và phát ra các xung cực ngắn, có thể làm tổn thương ngay cả khi chỉ một xung phản xạ đi vào mắt. Do đó, việc bảo vệ mắt chặn lại mọi đường đi có thể tới mắt phải sử dụng kính bảo hộ chặn hồng ngoại có thể được thiết kế cho truyền qua đa số ánh sáng khả kiến, trừ những ứng dụng trong đó các họa âm bậc cao được sử dụng. Nhân đôi tần số có thể tạo ra họa âm thứ hai tại 532nm (ánh sáng khả kiến lục), bước sóng này cũng truyền qua đi tới võng mạc, và khi vạch phát xạ này được sử dụng thì việc thêm bộ lọc làm tắt dần ánh sáng lục là cần thiết. Nhân ba và nhân tư tần số thường được áp dụng với laser Nd:YAG tạo ra họa âm thứ ba và thứ tư tại 355 và 266nm, chúng có những nguy hại khác, và yêu cầu kính bảo hộ an toàn chặn tử ngoại, và có khả năng bảo vệ da đề phòng các thương tổn do cháy. Với những laser phát ra công suất chừng vài watt trong vùng hồng ngoại, công suất hàng trăm mili watt có thể thu được tại các bước sóng họa âm thứ hai, ba, tư.
Mặc dù một số laser neodymium bơm bằng diode phát ra công suất tương đối thấp (nhất là tại các họa âm bậc cao, khi hoạt động ở mode liên tục), nhưng đa số phát ra công suất đủ để gây ra thương tổn, và phải đeo kính bảo vệ mắt khi làm việc với bất kì laser nào thuộc loại này. Một khó khăn đối với bất kì laser nào phát ra bước sóng bội là việc sử dụng kính bảo hộ thích hợp làm suy giảm tất cả các vạch phát xạ nguy hiểm. Khi các họa âm bậc cao được sử dụng, không nên cho rằng ánh sáng ở tần số cơ sở bước sóng dài hơn không có mặt, và nhiều laser thương mại có một hoặc nhiều cơ chế đặc biệt loại trừ những bức xạ quang không mong muốn. Mối nguy hiểm về điện có mặt trong các laser neodymium đèn bơm thay cho diode, vì sự có mặt của điện thế cao cấp nguồn. Một số lượng lớn nghiên cứu đang được triển khai để nhận ra các chất chủ tinh thể khác cho pha tạp neodymium, và khi các chất khác có mặt trong các laser
thương mại, cần phải xem xét điều kiện cho hoạt động an toàn. Khi những loại laser mới được đưa ra, thì những dụng cụ an toàn tương xứng có thể ban đầu chưa có. Hiện nay, chất thay thế được sử dụng rộng rãi nhất cho ngọc thạch lựu yttrium nhôm là yttrium lithium fluoride (kí hiệu là YLF), và có sẵn trên thị trường cả laser Nd:YLF dạng xung và dạng liên tục. Mặc dù ở nhiều khía cạnh là tương tự với laser neodymium YAG, nhưng việc sử dụng Nd:YLF phát ra tại một bước sóng cơ sở hơi khác (1047nm) và điều này phải được xét đến khi đánh giá hiệu suất của các bộ lọc an toàn như kính bảo hộ đối với phổ hấp thụ các bước sóng cơ sở và họa âm bậc cao của chúng. Laser diode bán dẫn đại diện cho một công nghệ tương đối mới đang mở rộng nhanh chóng ở tính đa dụng. Đặc trưng hiệu suất của laser diode phụ thuộc vào một số nhân tố, gồm tính chất điện của chất bán dẫn, quá trình nuôi cấy được sử dụng trong khi chế tạo nó, và tạp chất được sử dụng. Bước sóng phát ra bởi môi trường laser là một hàm của độ rộng khe của chất liệu và các tính chất khác, phụ thuộc vào thành phần chất bán dẫn. Sự phát triển liên tục hứa hẹn mở rộng phạm vi bước sóng có thể dùng được trong các diode laser thương mại. Hiện nay, laser diode bán dẫn có bước sóng trên 1100 nm được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng viễn thông sợi quang. Đa số các laser thuộc loại này dựa trên lớp hoạt tính của hợp chất iridium-gallium-arsenic-phosphorus (InGaAsP) có tỉ lệ khác nhau, và chủ yếu phát ra tại 1300 hoặc 1550 nm. Một phần trăm nhỏ của phát xạ 1300 nm được truyền tới võng mạc của mắt, còn ở bước sóng dài hơn 1400 nm, giác mạc là đối tượng bị tổn hại. Sự thương tổn mắt đáng kể không có khả năng xảy ra, ngoại trừ các mức công suất khá cao. Đa số laser diode phát xạ trong vùng 1300 nm có công suất thấp và không có sự nguy hại nghiêm trọng trừ khi chùm tia trực tiếp đi vào mắt trong thời gian dài. Các chùm laser diode không chuẩn trực và các chùm ló ra khỏi sợi quang bị phân kì nhanh chóng, mang lại một mức độ an toàn. Kính bảo hộ an toàn phải được dùng với chùm laser công suất cao nếu như phát xạ không hoàn toàn được chứa bên trong sợi quang. Để làm thẳng hàng chùm tia hồng ngoại gần trong quang cụ trong lúc đeo kính bảo hộ khóa hồng ngoại, thì màn hình
huỳnh quang hoặc các dụng cụ xem hồng ngoại khác phải được sử dụng. Laser diode hoạt động ở điện thế và dòng điện thấp, và vì vậy thường không có mối hiểm họa về điện. Các laser diode phát xạ tại bước sóng danh nghĩa dưới 1100 nm chủ yếu dựa trên hợp chất gallium arsenide, và sự phát triển liên tục của các chất liệu mới và quá trình chế tạo đang mở rộng dần phạm vi công suất phát xạ đến những bước sóng ngày càng ngắn. Với những ngoại lệ nhất định, diode laser về cơ bản yêu cầu cùng mức độ đề phòng như các loại laser khác hoạt động trong vùng bước sóng tương ứng và tại mức công suất tương đương. Như đã nói ở phần trước, một nhân tố làm hạn chế mối nguy hại tiềm tàng trong một số trường hợp là sự phân kì cao của chùm laser diode, làm phân bố công suất chùm tia trên một diện tích rộng trong vòng một cự li ngắn tính từ mặt phát xạ của chất bán dẫn. Tuy nhiên, khi một ứng dụng yêu cầu thêm sự hội tụ quang, hoặc một số phương pháp chuẩn trực khác, thì nhân tố này bị phủ nhận. Laser diode dựa trên hệ indium-gallium-nhôm- phosphorus (InGaAlP) đang được sử dụng, phát ra bức xạ 635 nm ở mức mili watt, và những laser này yêu cầu đề phòng an toàn tương tự như đối với laser helium- neon có cùng công suất. Những biến thể laser khác dựa trên những thành phần diode tương tự phát xạ tại bước sóng 660 hoặc 670 nm, và mặc dù phản ứng khó chịu tự nhiên của mắt mang lại một số sự bảo vệ, nhưng mắt hầu như không nhạy với những bước sóng này như đối với bức xạ 635 nm, và việc sử dụng kính bảo hộ an toàn là cần thiết. Phải thận trọng nhằm đảm bảo sự hấp thụ trọn vẹn ở những bước sóng thích hợp, vì kính bảo hộ được thiết kế để bảo vệ mắt tại những bước sóng dài hơn có thể không hiệu quả tại 660 hoặc 670 nm. Các kết cấu gallium-nhôm-arsenide (GaAlAs) đa dạng được sử dụng để chế tạo laser diode có bước sóng phát xạ từ 750 đến gần 900 nm. Vì độ nhạy hạn chế của mắt tại 750 nm (một độ nhạy yếu với ánh sáng đỏ là có thể), và hoàn toàn thiếu cảm giác tại những bước sóng dài hơn, nên những laser có mức nguy hại cho
mắt lớn hơn các laser ánh sáng khả kiến. Công suất lớn hơn nhiều sử dụng trong diode laser phát xạ trong vùng này (lên tới vài watt trong dãy diode) có thể làm tổn hại mắt sau một sự phơi sáng ngắn ngủi. Vì chùm tia không nhìn thấy, nên phản ứng khó chịu của mắt không xảy ra, và kính bảo hộ phải được sử dụng, nhất là với laser công suất cao. Lại còn sự phát xạ bước sóng dài hơn (980 nm) bởi laser indium-gallium-arsenide (InGaAs), và kính bảo hộ được chứng nhận làm suy yếu bức xạ 980 nm được dùng, thì một lần nữa do sự nguy hiểm của bức xạ không nhìn thấy tình cờ được phép đi vào mắt. Tóm lại, các nguy hại chính liên quan tới việc sử dụng laser trong bất kì ứng dụng nào là sự rủi ro gây thương tổn cho mắt và da do tiếp xúc với chùm tia, và mối hiểm họa về điện có mặt bởi điện thế cao trong laser. Việc đo đạc là cần thiết để tránh phơi sáng trước chùm tia (đặc biệt là mắt), và không có gì đảm bảo cả nên việc đeo kính bảo vệ mắt là cần thiết. Bốn nhân tố quan trọng trong việc lựa chọn kính bảo hộ hoặc các bộ lọc chặn chùm tia khác, đó là: bước sóng laser, chùm tia dạng xung hay liên tục, loại môi trường laser (chất khí, chất bán dẫn,…), và công suất phát laser. Có những hiểm họa khác ngoài chùm tia laser trong việc sử dụng laser, một số trong đó có liên quan tới những ứng dụng hiển vi, và những nguy hại khác không chắn chắn sẽ có. Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, laser được dùng để thực hiện tiến trình cắt và hàn, và đun nóng có thể làm phát ra hơi khói độc hại, chúng phải được loại bỏ an toàn khỏi môi trường làm việc. Loại nguy hiểm này có với laser dùng trong kính hiển vi quang học, nhưng các vấn đề an toàn khác phải được xét tới. Trong hệ bơm bằng đèn flash, hiểm họa nổ tiềm tàng có mặt do việc thiết lập áp suất cao bên trong ống flash. Thiết bị bọc ngoài phải được thiết kế và duy trì để chứa các mảnh của đèn nếu loại nổ này xảy ra. Các chất khí đông đặc, như nitrogen lỏng hoặc helium lỏng, có thể được dùng làm lạnh laser (ví dụ laser ruby hoặc tinh thể neodymium) và da trần là đối tượng bị tổn thương cháy nếu
như tiếp xúc với chất lỏng lạnh. Nếu như lượng đáng kể chất khí đông đặc thông vào một phòng kín hoặc một không gian giới hạn khác, chúng có khả năng chiếm chỗ không khí trong phòng và tạo ra bầu không khí thiếu oxygen. Mối nguy hại về điện đi cùng với thiết bị laser đã được thảo luận ở trên, nhưng không thể không nhấn mạnh một lần nữa, vì thực tế là các vỏ bao thiết bị, thường bảo vệ người dùng khỏi dòng điện, lắm khi được tháo dỡ trong khi lắp đặt, canh chỉnh, bảo dưỡng và giữ gìn laser. Một số loại laser (nhất là loại IV) có mối nguy hại về lửa nếu như chùm tia tiếp xúc với các chất dễ cháy, và các chất chống cháy phải được sử dụng ở những nơi nào mà chùm tia có khả năng rọi tới. Trong đa số các phòng thí nghiệm thuộc trường đại học và chính phủ, cũng như trong các môi trường công nghiệp và đoàn hội khác, một khuôn khổ chính thức tồn tại trong việc quản lí các thủ tục an toàn phải được tuân thủ trong các hoạt động có khả năng gây nguy hiểm, bao gồm cả việc sử dụng laser. Nguyên tắc chung vạch ra trong bài này không phải là có định thay thế những yêu cầu đặc biệt cho cá nhân an toàn trong tình huống làm việc riêng lẻ. Thông thường thì một văn phòng an toàn môi trường địa phương sẽ chuẩn bị công bố các thủ tục được tuân thủ dưới sự chỉ đạo của một viên chức an toàn laser, hoặc một người chịu trách nhiệm đào tạo và thực thi các thủ tục an toàn thích hợp trong cơ quan có thiết bị đó, và bất kì người dùng laser nào cũng phải chắc chắn rằng các thủ tục an toàn đã được tuân thủ. Đây là điều mấu chốt, không chỉ ngăn ngừa sự thương tổn không có khả năng hồi phục cho người dùng laser, mà còn bảo vệ khách khứa hoặc những người khác có thể tình cờ trở thành đối tượng bị tổn hại bởi thiết bị laser.