Nguyên lý laser - Chương 3

ng 3

ươ

Ử Ụ

Ch KĨ THU T AN TOÀN KHI S D NG NGU N SÁNG LASER

Ậ Ồ

3.1 Các chi ti

t đ c bi

t dùng trong kĩ thu t laser.

ế ặ

ệ

ậ

ể ự ị

Các laser công su t cao có th t

ấ ng và các chi ti b phá h y, các tinh ủ t quang ch u b c x laser có ị ứ ạ ươ

th , các g ể m t đ công su t cao d b h ng. ấ ậ ộ ế ễ ị ỏ

Vì tu i th các laser có ý nghĩa kinh t ế ớ l n nên c n chú ý ầ

ọ cách v n hành và b o d ổ ậ

ả ưỡ . ng

• Xung laser công su t cao c a laser gây nên h ng hóc thanh ủ ấ ỏ

t quang nh t ạ ấ ế ấ Khi b c x ứ ạ

ho t ch t, g ươ xung dài ít b phá h y h n.. ị ng và các chi ti ủ ơ

ủ ậ ệ ớ

ng công su t. ng ,phá h y do s ự ủ ưỡ ơ

ụ

ậ ộ

ớ

8W/cm2 phá h y ủ

• S phá h y các v t li u quang x y ra v i các giá tr ị ả ự ấ Khi l n h n ng ng ớ ưỡ đ t nóng làm ch y và cháy bay h i ơ ả ố

2 v i m t đ công su t l n h n 10 ấ

ỏ

ấ ớ . tinh th clo rua Kali làm h ng th u kính

. Ví d : Laser CO ể

ng phá h y phu thu c vào b n ch t v t li u, khuy t ủ ấ ậ ệ ế ả ộ

ề ặ ấ ạ ầ

• Ng ưỡ t t, t p ch t và tr ng thái b m t sau khi gia công l n ậ ạ cu i ố

Các nguyên nhân gây nên s phá h ng v t li u:

ậ ệ

ự

ỏ

ồ

t su t v t li u các chùm

ế

ổ

ấ ậ ệ

h p th trong v t li u. ụ ậ ệ

• S không đ ng nh t c a các xung laser. ự • S t n t ự ồ ạ • Hi n t ệ ượ • S t ự ự tia laser t ấ ủ i các ph n t ầ ử ấ . tiêu t ng t ụ ự : thu h p đ ẹ ườ tiêu t ự ụ sóng laser làm thay đ i chi ng kính.

ng cu laser kích thích

ậ ệ

ả

chuy n lên m c năng l

tr ng cao và gây lên s đánh th ng.

ứ

ượ

ệ ừ ườ ự

ng đánh th ng do khuy t t

ể - Ng ưỡ

ế ậ

ủ

ủ ế ướ ề ặ

t, v t x ự ậ

c b m t th p h n ơ ấ ệ ừ ườ

ả

trong lòng v t li u do nó n y sinh s t p trung sóng đi n t t ạ

ậ ệ i các đi m đó. ể

• S đánh th ng v t li u: ủ ự c a v t li u b sóng đi n t -do đi n t ệ ử ủ ậ ệ ị

• G ng laser ươ • + G ng kim lo i: ươ

ạ dùng b c, vàng,g m đánh

ạ

ố

‚

ạ

ệ ố

ắ

ẫ

bóng… có h s ph n x không quá 90 ả th ườ b ướ

ạ

ả

95% ng ch v i laser r n, bán d n và laser khí có ỉ ớ . c sóng dài • + G ng đi n môi nhi u l p: ề ớ có tính ch t ch n ọ ệ ươ l c và h s ph n x cao, b o đ m h s ph m ẩ ả ệ ố ọ c m t ch t c a buông c ng h ậ ưở ộ ấ ủ ng b c x l n th i gian làm vi c dài: đ năng l ờ ứ ạ ớ ượ ộ

ấ ệ ố ả ng cao và ch u đ ị ượ ệ

ệ ứ

ấ ạ

ệ

ồ

• Nguyên lý ho t đ ng d a trên hi u ng giao thoa. ự • C u t o: G m r t nhi u l p đi n môi trong su t ố ề ớ ọ ớ

c sóng b c x :

ạ ộ ấ ạ 1 và n2 v i chi u dày quang h c ề ứ ạ

có h s khúc x n ệ ố b ng m t ph n t b ộ ằ

ầ ư ướ

l/4

Hình 3.1 G ng nhi u l p đi n môi ề ớ ươ ệ

Các ch t li u đ ch t o g ấ ệ V t li u Chi

ể ế ạ ươ t xu t(

ề ớ ng laser nhi u l p: ấ l =0,7µ) Vùng ph truy n ổ

ế ề

ậ ệ qua(µm)

ng: m t đ công su t

ọ

ố

ậ ộ

ấ

i h n mà g

ng ch u đ

Thông s quan tr ng c a g ủ ươ c t ị ượ ươ ớ ạ

l (µm) S l pố ớ Lo i g ng ạ ươ i Công su t t ấ ớ h n(Mw/cm2) ạ

• Trong laser công su t cao ngoài l p đi n môi

ệ

ấ

ườ

ế

ớ ấ

ả

t su t ng i ta còn s d ng d ng các t m có chi ấ ạ cao nh saphia đ c đánh bóng và mài song song. ư S ph n x do hi u ng giao thoa x y ra. H s ệ ố ự ả c tính b ng bi u th c: ph n x đ ả

ử ụ ượ ệ ứ ằ

ạ ạ ượ

ứ

ể

S ố t mấH s ph n x ệ ố ả ạ

ả

ề ặ ầ

ươ

ầ

ấ

ưở

ể

ồ

• Các b m t c n ph i “tuy t đ i s ch”, các b i ệ ố ạ ụ b n trên g ng đ u thanh ho t ch t, van, t m ấ ạ ẩ ng có th gây ph n x có trong bu ng c ng h ả nên s đ t cháy gây phá h y b m t.

ộ ủ ề ặ

t quang trong laser khí CO

c th nghi m 1000 W/cm

2/ 20 gi

ế ử

ạ ự ố • Ví d : Chi ti ụ ch u đ ị ượ khi b i b n ch u đ

ụ ẩ

ỏ ơ ớ

ế

ặ

ớ

• V i các chi ti ề

ự

ầ

2 n u s ch ế ạ . Còn ờ ệ . c nh h n 100W/cm2 ị ượ t quang có l p ph ph n x ho c ạ ủ ả h p th trên b m t các truy n qua các ph n t ề ặ ụ ẩ ử ấ l p gây lên s phá h y cho nên c n làm s ch các ạ ủ ớ l p ph ủ ớ

• V ph • V t li u c ng: TiO

ng pháp làm s ch các l p ph : ủ ớ ạ ị ướ

2, SiO2… b n, ch u n ề

c dùng ử

ề ươ ậ ệ ứ ớ

ả

ạ

ạ ầ

ủ ả ấ

làm l p ph gi m ph n x trong các vùng sóng t ạ ngo i, nhìn th y và ph h ng ngo i g n. ổ ồ • V t li u c ng v a: ZnS, F2Th…ùng trong g

ng

ậ ệ ứ

ừ ự ấ

ụ ư

c và h i n

ề

c. ơ ướ • V t li u m m: ít dùng vì hoa tan trong n

c và

ướ

kém b n v c h c..

ươ laser CO2 vì có s h p th nh trong vùng h ng ồ ngo i, kém b n trong n ướ ề ề ơ ọ

ạ ậ ệ ề

ằ

lau b ng vái m m và s ch.

• V i v t li u c ng làm s ch b ng các dung môi và ạ ạ

ớ ậ ệ ứ ề

ằ

ớ ậ ệ ứ

• V i v t li u c ng v a: dùng các dung d ch nh ư

ị ừ axeton sau đó dùng khí khô N2 làm s ch.ạ

ậ ệ

ử ụ

ề

laser cũ thì nên ch d ng khí N

ệ ỉ ụ

ạ

ổ

• V t li u m m hi n nay không s d ng, song v i ớ 2 khô th i làm s ch.

• 3.2 K thu t an toàn đ i v i ng

i khi làm vi c

ố ớ

ậ

ỹ

ườ

ệ

v i laser ớ

ệ ử ụ ơ ấ

ữ ng cho m t và tia laser ươ

toàn. Tr ắ có công su t cao gây lên nh ng v t b ng da. • Vi c s d ng laser g n li n v i nh ng nguy c m t an ề ổ ữ ớ ắ c h t là s gây t n th ự ướ ế ấ ế ỏ

• Đ c bi ặ ệ ủ ự ứ ờ

ộ ễ ả ể

ụ ớ ế ấ

c tiêu t ể ượ ng r t l n nên đ c bi t là s tác đ ng c a tia laser là t c th i và qua ơ ấ ẩ v i v t r t nh có t nguy hi m. ặ không khí nên d x y ra khi b t c n và không đ ý, h n n a do tia laser có th đ ữ c ườ ng đ năng l ộ ỏ ể ấ ớ ượ ệ

C¸c d¹ng ph¸t cña Laser

Continuous Output (CW)

Pulsed Output (P)

Ph¸t Xung-Pulsed (Q-switched)

• Ph¸t liªn tôc ( CW -continuous Wave)

l

) s e u o J (

) s t t a W ( y g r e n E

y g r e n E

Time

watt (W) - Unit of power or radiant flux (1 watt = 1 joule per second).

Joule (J) - A unit of energy

Energy (Q) The capacity for doing work. Energy content is commonly used to characterize the output from pulsed lasers and is generally expressed in Joules (J). Irradiance (E) - Power per unit area, expressed in watts per square centimeter.

• 3.2.1 Các tác đ ng v t lý.

ộ

ậ

ể ạ ạ ớ

ấ ủ ắ

ể ấ ủ ạ ả ủ ấ ớ ấ

ể b ở ướ ồ ạ ầ

• Nguy hi m nh t c a tia laser là v i võng m c- đi m nh y c m nh t c a m t, th y tinh th và sau đó là da. Võng ả m c nh y c m nh t v i laser c sóng nhìn th y 0,4 ạ μm < λ< 0,7 μm và vùng g n h ng ngo i 0,7μm < λ< 1,4 μm.

vùng c c tím λ< 0,4 μm không nh y c m v i võng ở ự

ng t

c sóng b t kỳ. ủ các b • Laser ạ ể m c song d gây t n th ớ ễ th có th b tác đ ng b i laser ể ị ươ ở ổ ộ ạ ả i th y tinh th . Th y tinh ể ở ớ ủ ấ ướ

• Hình 3.1 Đ c tr ng ph c a m t ng ư

ổ ủ

ặ

ắ

i ườ

HeNe

Ar++

0/0

Rubi

0,8

Pho truyen qua cua mat

0,6

0,4

Pho hap thu cua vong mac

0,2

Buoc song l

500

1000

1500 nm

ự ơ ấ ộ

ề võng m c có th đ t t ngoài vì v t h i t • S tác đ ng lên võng m c s l n h n r t nhi u so v i khi ớ ạ ẽ ớ i ể ạ ớ ế ộ ụ ở ạ ở

ta quan sát 20 μm.

công su t t l (dp/dr)2 v i dp là đ ộ

ớ lên mõng m c. ng kính h i t • Đ tăng t l ỉ ệ pu-pin m t và dr là đ ắ ấ ỉ ệ ườ ng kính ườ ạ ộ ụ

-3mm thì m t đ công su t ậ ộ

• Ví d : dp ≈ 5 mm, dr ≈ 20. 10 ụ

ầ ấ ắ

ớ ấ ậ ộ ấ ắ ư

lên 6.104 l n so v i m t đ công su t khi vào m t. M t là ậ ộ n i nguy hi m nh t ngay c khi các b ph n khác ch a ả ể ơ đ t đ n đ nguy hi m. ộ ạ ế ể

Hinh 4.1 M t đ công su t ngu n tr i r ng và ngu n đi m t

ậ ộ

ả ộ

ể ạ

ồ

i võng m c ạ

ấ

• 3.2.1.2 Tác d ng lên m t da ụ

ặ

do phan xa

0,8

0,6

0,4

0,2

Buoc song l

500

1000

1500 nm

Hình 3.2 Kh năng ph n x c a da ng i ả ạ ủ ả ườ

• 3.2.1.3 M i nguy v đi n

ề ệ

ố

• Trong s các lo i laser thi t th c ch y u, nh laser khí, ạ ế ủ ế ư ự

ố ấ ắ ấ ẫ

ệ ẫ

ệ ng là dòng đi n cao, đ t o ra chùm tia. laser ch t r n, laser ch t nhu m, và laser ch t bán d n, tr ừ ấ ộ t c đ u yêu c u hi u đi n các lo i laser bán d n ra thì t ầ ấ ả ề ạ th cao, và th ệ ườ ể ạ ế

• Cho dù là đi n th cao đ c áp tr c ti p vào môi tr ng ệ ế ự ế

ơ ượ ơ ườ ẫ

laser chính hay vào đèn b m ho c laser b m, thì nó v n có m t t i m t s đi m trong h th ng. ặ ệ ố ộ ố ể ặ ạ

c t o ra trong laser là ệ • Tình hu ng đ c bi ố ượ ạ ể

đi n ho c ẫ ụ ệ ặ

ặ ể ậ ộ ộ

t nguy hi m đ nó v n có th tích đi n th cao trong các t ế ệ nh ng b ph n khác m t th i gian lâu dài sau khi laser đã ờ ữ t.ắ t

C¸c d¹ng t¸c h¹i kh¸c

• T¸c h¹i hãa: trong c¸c laer ho¸ , excimer, khãi

hµn c¾t

• C¸c gi¶i sãng: hång ngo¹i , tö ngo¹i • KhÝ nÐn: ch¸y næ • T¸c dông sãng tia X

ẩ

ị

ệ ớ

ấ ớ

ụ

ắ ớ ộ ng.

• 3.3 Các tiêu chu n qui đ nh an toàn khi làm theo ANSI Standard (Z136.1) vi c v i laser • Yêu c u c b n là không đ tia laser có công su t l n h n ơ ể ầ ơ ả ng cho phép tác d ng lên da và m t v i đ dài sóng ưỡ ổ ờ

ng và th i gian tác d ng gây nên t n th ụ ươ

ắ ậ

• Các bi n pháp: ệ • - Ngăn c n b ng v t ch n. ằ ả • - Đ m b o s ki m tra kh ng ch , lo i tr tia laser tác ố ả ự ể ạ ừ ế ả

ằ ắ

• -Bi n pháp ngăn c n ch y u phân x đ ng khi l p ráp hi u ch nh không b ng tia laser. ỉ ộ ng v i công ớ ủ ế ở ệ ả ưở

• -Bi n pháp ki m tra kh ng ch dùng các thi t b đo và các ế ố ệ ị

ả ệ ượ ặ

c sóng b o v ể kĩ s và chuyên gia lành ngh . ề ấ ớ tr ng b i m t đ quang đ i v i b ậ ộ • -Ph bi n nh t v i m t là dùng kính b o v đ ắ ả ố ớ ướ c đ c ệ ệ nhân. ệ ư ổ ế ở ư

ể

• -Có báo hi u nguy hi m ệ • -Các c a che an toàn. ử

• Tiêu chu n ANSI ( American National Standa

rts

ẩ

United).

Nó không ph i m t gi i h n ch t ch gi a an toàn và không ả ộ ẽ ữ ặ

ỉ ệ ệ ủ

ự ng nguy hi m. ớ ạ ả ệ ượ ể ứ

an toàn mà nó ch là ph n ánh s hoàn thi n c a vi c nghiên c u các hi n t ồ

ớ

ể

ng G m các lĩnh v c ự • Xây d ng m c cho phép c c đ i c a b c x laser ự ạ ủ ứ ạ ứ ự • Phân lo i laser t ng ng v i các m c nguy hi m ể ứ ươ ứ ạ • Xác đ nh các bi n pháp an toàn th c t đ i v i m i m c ứ ỗ ệ ị • M t đ c đi m quan tr ng c a ANSI: Phân c p laser theo ộ ặ ủ ứ ộ ự ế ố ớ ấ ổ ọ ề ươ ể ả

m c đ nguy hi m v kh năng gây ra các t n th sinh h c v i nhãn c nh báo v b c x , hình 3.5 ề ứ ạ ọ ớ ả

Hình 3.5 Nhãn c nh báo phóng x ả ạ

ớ

• C p Iấ ( Class I): là các laser v i m c công su t b c x ấ ứ ạ t. không gây nên m t ộ m c đứ ộ nguy hi m nào đã bi ứ ể ế

ụ

ứ i nh máy in, quét …có công su t t k riêng cho các ng d ng không ế ế ấ ườ ư ắ

• C p IAấ : là laser thi th chi u vào m t ng ể ế nh h n 4mW. ỏ ơ • C p IIA ấ : là các laser liên t c công su t th p ụ ấ ở ấ

vùng kh ả Ph n ả ư

ệ

ứ ạ ủ ướ ộ i. Gây nên t n th ổ ươ

ki n.ế B c x trên laser c p I nh ng nh h n 1mW. ấ ỏ ơ ng tr c đ chói c a ánh sáng laser s b o v con ứ ẽ ả ng khi nhìn v i th i gian dài. ng ờ ớ ườ • C p IIB ấ

: Laser có công su t t c th i ( v i laser liên t c t ớ ng t n nhìn tr c ươ ấ ứ ẽ

ổ ế ố ộ

ụ ừ ờ 1-5m W), mà b c x c a nó s gây th ự ứ ạ ủ ti p trong chùm tia. Đa s các laser trình chi u là thu c lo i IIB. ế ạ

• C p IIIA: ấ ươ

ờ ng ổ Các laser không gây nên t n th ắ

khi nhìn trong t th ế ươ i gian ng n , song s gây nên t n ấ

ồ ổ ẽ . ng n u có th u kính quang h i t ộ ụ ồ

ả ự ể

• C p ấ IIIB : G m ph n l n các ngu n laser hi n ệ ầ ớ đ i có kh năng gây nguy hi m khi nhìn tr c ạ ti p.ế • C p IVấ ụ

ươ

c ạ ả t ph i ki m soát đ ể ả ầ

: Các laser công su t cao, liên t c trên ấ 500mW, xung 10J/s ho c ph n x phân tán.. Gây ả ặ ng khi nhìn tr cti p và c khi tán x , t n th ạ ự ế ổ gây nên b ng da C n thi ượ ế ỏ d dàng đ i v i laser c p IV. ấ ố ớ ễ

• B ng phân lo i m t s laser thông d ng theo ộ ố

ụ

ạ

ả ANSI.

- Các laser

ở ả

ưỡ

ng c a xung 1 t n s . ầ ố

ng ch n s ph i th p h n

b ng là ng ầ ố

ọ ẽ

ả

ấ

L u ý:ư ủ - Khi là laser có t n s xung cao ng ưỡ b ngả

Laser l (m m) Lo i I Lo i II Lo i III Lo i IV ạ ạ ạ ạ

ệ ứ ớ

ẩ ệ ạ ả

ầ

II Các laser công su t nh

vùng nhìn th y Theo các ch d n in

ỏ ở

ấ

t ế ỉ ẫ

trên laser III Laser công su t trung bình 11 bi n pháp: B o v m t,

ấ

ệ

ồ

ế ườ

ụ

ủ

ệ

ấ

ả ệ ắ làm vi c trong bu ng đ c bi t, ệ ặ ng đi tia, các ch h n ch đ ỉ ạ d n c th và h c các thao tác ọ ẫ ụ ể IIIa Các laser liên t c <1 ÷ 5 mW Không c n đ 11 bi n pháp ệ ầ ủ c a laser c p III. ấ IV Các laser công su t cao 17 bi n pháp ( thêm 6 bi n pháp so v i laser lo i III )

ệ ớ

ạ

Các bi n pháp an toàn ng v i chu n ANSI Tên g i c p Lo i laser Bi n pháp b o ọ ấ hi mể I Các laser không nguy hi m Không c n thi ể

• D u hi u c nh báo m c đ nguy hi m c a

ứ ộ

ệ ả

ủ

ể

ấ ANSI

• Dán ngoài thi • - “Caution”: Đ i v i laser c p II và IIIa. N n vàng, ề ấ

bi u t ể ượ

• ề

en, kí hi u ngu n laser màu đ , v i đ t b s d ng ế ị ử ụ ố ớ ng và ch màu đen. ữ ố ớ ồ ắ - “Danger”: Đ i v i các laser IIIa, IIIb or VI. N n ng vi n và ề ỏ ớ ườ ệ

tr ng đ chũ màu đen.

D u hi u c nh báo c a ANSI trong th i gian s a

ệ ả

ủ

ử

ờ

• N n tr ng v i bi u t ng laser màu đ , v i n n màu ỏ ớ ề

c bi n và ch màu đen.

ấ ch a:ữ ề xanh n

ắ ướ ớ ể ượ ữ ể

Ph¶n x¹ g¬ng

-B¶o vÖ m¾t -Che kÝn ®êng ®i cña chïm tia laser -B¶o vÖ m¾t theo møc ®é nguy hiÓm khi lµm viÖc thùc tÕ -Dïng kÝnh, mÆt nạ ..

B¶o vÖ víi c¸c nguy hiÓm liªn quan

-T¸c dông ho¸ häc: g¨ng tay, läc khãi..

-T¸c dông ®iÖn: che kÝn, c¸ch ®iÖn

-T¸c dông víi mắt vµ da: mang kÝnh, kiÓm tra..

§o kiÓm tra:

-§o gi¸ trÞ lín nhÊt cho phÐp

-Vïng nguy hiÓm chung cÇn thiÕt ®èi víi laser cÊp 3b vµ 4

§o kiÓm tra v¬i cÊp 4

-§iÒu khiÓn kho¸ tõ xa --§iÒu khiÓn ng¾t chïm s½n sµng, ng¨n ngõ tiÕp xóc víi bóc x¹ laser ngay c¶ khi kh«ng sö dông

§o kiÓm tra v¬i cÊp 4

-§iÒu khiÓn kho¸ tõ xa --§iÒu khiÓn ng¾t chïm s½n sµng, ng¨n ngõa tiÕp xóc víi bóc x¹ laser ngay c¶ khi kh«ng sö dông

§o kiÓm tra vïng Laser

CÊp 3b: -D¸n c¶nh b¸o nguy hiÓm t¹i n¬i vµo vµ vïng ®iÒu khiÓn -H¹n chÕ ra vµo -Nh©n viªn ph¶i cã hiÓu biÕt vÒ an toµn laser -H¹n chÕ ngêi nhìn trùc tiÕp

CÊp 4: -c¸c nut c¶nh b¸o râ rµng -Kho¸ kh«ng trÔ