Tài liệu Vật lý: Kĩ thuật an toàn laser (2)

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Độ lợi quang học của mắt người thư giãn đối với một chùm tia chuẩn trực cao, là tỉ số của diện tích con ngươi của mắt và diện tích ảnh (hội tụ) trên võng mạc, là vào bậc 100.000.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tài liệu Vật lý: Kĩ thuật an toàn laser (2)

Kĩ thuật an toàn laser Độ lợi quang học của mắt người thư giãn đối với một chùm tia chuẩn trực cao, là tỉ số của diện tích con ngươi của mắt và diện tích ảnh (hội tụ) trên võng mạc, là vào bậc 100.000. Con số này tương ứng với 5 bậc độ lớn chiếu sáng tăng từ mặt giác mạc tới võng mạc. Cho phép quang sai trong hệ thủy tinh thể - giác mạc, và nhiễu xạ tại mống mắt, một con mắt hiệu chỉnh tốt có khả năng hội tụ một đốm sáng 20 micrô mét lên võng mạc. Ý nghĩa của tính hiệu quả này của mắt là ngay cả một chùm laser công suất thấp, nếu nó chạm tới mắt, cũng có thể được hội tụ lên võng mạc và nhanh chóng đốt cháy một lỗ ở trong mô, làm phá hỏng vĩnh viễn dây thần kinh thị giác. Trong trường hợp chùm laser đi vào mắt trực tiếp (nhìn trực diện), một chùm 1 mW tạo ra giá trị độ rọi võng mạc vào bậc 100 W/cm2. Hãy so sánh, việc nhìn trực tiếp Mặt Trời tạo ra độ rọi tại võng mạc xấp xỉ 10 W/cm2. Hình 3 minh họa kết quả hội tụ trong mắt đối với một nguồn trải rộng, như một bóng đèn thủy tinh thông thường, so với chùm laser chuẩn trực cao có tính chất thật sự của một nguồn điểm. Do sự khác biệt bản chất của các nguồn sáng, nên mật độ công suất tại võng mạc đối với một chùm laser 1 mW hội tụ có thể lớn hơn 1 triệu lần so với một bóng đèn 100W chuẩn. Giả sử một chùm laser Gauss hoàn hảo, trực tiếp đi vào một con mắt không có quang sai, thì kích thước đốm giới hạn
nhiễu xạ có đường kính 2mm tại võng mạc là khả dĩ, so với đốm hội tụ kích thước vài trăm mm đối với nguồn trải rộng. Giá trị độ rọi (mật độ công suất) tương ứng tại võng mạc, như chỉ rõ trong hình 3, xấp xỉ 108 và 102 W/m2. Có thể nghĩ rằng một đốm cháy trên võng mạc đo được thậm chí 20mm sẽ không ánh sáng đáng kể đến thị lực, vì võng mạc chứa hàng triệu tế bào hình nón. Tuy nhiên, các thương tổn võng mạc thực tế thường lớn hơn đốm hội tụ cơ bản do các hiệu ứng âm và nhiệt thứ cấp, và tùy thuộc vào vị trí, thậm chí một thương tổn cực kì nhỏ đối với võng mạc cũng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho thị lực. Trong trường hợp phơi sáng tệ hại nhất, với con mắt thư giãn (hội tụ tại vô cùng) và chùm laser đi vào mắt trực tiếp hoặc từ một sự phản xạ phản chiếu, thì chùm tia được hội tụ đến kích thước đốm nhỏ nhất của nó trên võng mạc. Nếu sự phá hủy xảy ra tại nơi dây thần kinh thị giác đi vào mắt thì kết quả sẽ là sự mất hoàn toàn thị lực. Sự cháy võng mạc rất thường xảy ra tại khu vực nhìn chính giữa, tức điểm vàng, có kích thước ngang chừng 2mm và dọc 0,8mm. Vùng chính giữa của điểm vàng, gọi là hốc giữa, có đường kính chỉ khoảng 150 mm và mang lại sự nhìn sắc nét cao và cảm giác màu sắc. Các vùng võng mạc nằm ngoài khu vực nhỏ xíu này cảm nhận ánh sáng và phát hiện chuyển động, cấu thành sự nhìn ngoại biên, nhưng không góp phần cho sự nhìn chi tiết. Do đó, sự phá hủy điểm vàng, mặc dù cấu trúc này chỉ chiếm khoảng 3-4% diện tích võng mạc, có thể làm mất tức thời sự nhìn tốt.
Dải bước sóng truyền qua các cấu trúc bên ngoài của mắt và đi tới võng mạc gồm toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến từ màu lam (400nm) tới màu đỏ (700nm) và vùng hồng ngoại gần có bước sóng 700-1400nm (IR-A). Vì võng mạc không phản ứng với bức xạ nằm ngoài phổ khả kiến, nên không có cảm giác nào sinh ra trong mắt khi phơi ra trước ánh sáng hồng ngoại gần, kết quả là mang lại sự rủi ro lớn hơn nhiều đối với các laser hoạt động trong vùng phát xạ này. Mặc dù không nhìn thấy, nhưng chùm tia vẫn hội tụ lên võng mạc. Như đã đề cập ở trên, vì tính hội tụ hiệu quả của mắt, nên một lượng tương đối nhỏ bức xạ laser cũng có thể làm thương tổn võng mạc, và trong một số trường hợp còn gây ra hậu quả thị lực nghiêm trọng. Laser dạng xung phát ra cường độ cao có thể gây ra sự xuất huyết khi hội tụ trong mắt, và sự phá hủy có thể mở rộng ra khoảng cách lớn tính từ khu vực hội tụ. Thương tổn võng mạc thì không lành, và nói chung là không chữa được. Sự hấp thụ trong các bộ phận khác của mắt, chủ yếu là giác mạc và thủy tinh thể, làm hạn chế sự phơi sáng cho võng mạc đối với vùng bước sóng tụ của mắt, đó cũng có thể xem là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc. Trong quá trình hấp thụ, các cấu trúc hấp thụ tự chúng trở thành đối tượng bị phá hủy. Chỉ mô nào hấp thụ bức xạ, và những mô lân cận tức thời xung quanh nó, là đối tượng bị thương tổn và đa số trường hợp phá hủy gay gắt là do phơi ra trước bức xạ laser bên ngoài vùng bước sóng 400-1400nm không có các hiệu ứng tồn tại lâu. Giác mạc xử sự giống như da ở chỗ nó chịu sự bồi tiếp liên tục, và chỉ một sự phá hủy hơi gay gắt làm dơ nó cũng có thể có một số ảnh hưởng đến thị lực. Đa số nguy hiểm cho giác mạc là do bức xạ laser trong vùng phổ hồng ngoại xa và tử ngoại. Vì mức độ hội tụ cao xảy ra bên trong mắt, nên việc phơi sáng trước một chùm laser kết hợp tương đối yếu có thể gây ra sự phá hủy vĩnh viễn, tức thời. Bởi vậy, khi sử dụng một laser mạnh, một sự phản xạ phản chiếu (nhằm duy trì chùm tia kết hợp) chỉ vài phần trăm, trong một phần nhỏ của giây, có khả năng gây ra tổn hại cho mắt. Trái lại, khi chùm tia laser bị tán xạ bởi sự phản xạ từ một bề mặt gồ
ghề, hoặc thậm chí từ bụi bặm trong không khí, thì tia phản xạ khuếch tán đi vào mắt ở góc lớn hơn. Với năng lượng chùm tia trải ra trong một phạm vi rộng hơn, nên tia phản xạ có đặc trưng của một nguồn trải rộng, và tạo ra ảnh lớn hơn trên võng mạc, so với sự hội tụ tập trung tạo ra bởi một nguồn điểm (xem hình 3). Sự khuếch tán của chùm tia theo kiểu này làm giảm nguy cơ phá hỏng mắt, không chỉ bằng việc làm tăng kích thước nguồn và làm giảm mật độ công suất, mà còn phá vỡ sự kết hợp của chùm tia khá tốt. Khả năng phá hỏng mắt có thể phân loại đối với bước sóng laser và cấu trúc mắt bị ảnh hưởng, với những thương tổn lớn nhất cho võng mạc và gây ra bởi bức xạ trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần. Sự cháy nhiệt, sự phá hủy âm học, hoặc sự biến đổi quang hóa có khả năng xảy ra tùy thuộc vào năng lượng hấp thụ. Các hiệu ứng sinh học tác động lên mô mắt, biểu hiện trong những dải bước sóng khác nhau, được tóm lược như sau, và được kê trong bảng 1. Tử ngoại B và C (200-315nm): Bề mặt giác mạc hấp thụ mọi ánh sáng tử ngoại trong vùng này, ngăn cản những bước sóng này đi tới võng mạc. Một dạng sừng hóa (cũng còn gọi là chớp sáng của thợ hàn) có thể để lại qua một quá trình quang hóa làm biến tính các protein trong giác mạc. Ngoài công suất laser, bức xạ trong vùng này còn có thể phát sinh từ ánh sáng bơm laser, hoặc một thành phần ánh sáng lam từ một tương tác mục tiêu, đòi hỏi phải cảnh báo thêm ngoài các
cảnh báo bởi chuẩn ANSI, chuẩn chỉ xem xét công suất laser. Loại tổn thương mắt này thường không tồn tại lâu do sự tái sinh nhanh chóng của các mô giác mạc. Tử ngoại A (315-400nm): Giác mạc và thủy dịch cho truyền qua vùng bước sóng này, sau đó chúng chủ yếu bị hấp thụ bởi thủy tinh thể của mắt. Sự biến tính quang hóa của các protein có thể dẫn tới bệnh đục nhãn mắt. Ánh sáng khả kiến và hồng ngoại A (400-1400nm): Vùng phổ này thường được gọi là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc, do trong thực tế giác mạc, thủy tinh thể và thủy tinh dịch của mắt là trong suốt đối với những bước sóng này, và năng lượng ánh sáng bị hấp thụ trong võng mạc. Sự phá hủy võng mạc có thể xảy ra qua quá trình nhiệt hoặc quang hóa. Sự phá hủy quang hóa đối với các tế bào cảm quang của võng mạc có thể làm giảm lượng ánh sáng hoặc cảm giác màu, và các bước sóng hồng ngoại có thể gây ra bệnh đục nhãn mắt ớ thủy tinh thể. Thương tổn có khả năng nhất khi năng lượng laser bị hấp thụ đủ là mắt bị cháy nhiệt, trong đó sự hấp thụ ánh sáng bởi các hạt melanin và các biểu mô sắc tố chuyển hóa thành nhiệt. Sự hội tụ bức xạ laser bởi giác mạc và thủy tinh thể trong dải bước sóng này làm khuếch đại độ rọi lên chừng 100.000 lần tại võng mạc. Đối với laser ánh sáng khả kiến công suất tương đối thấp, khả năng thương tổn sẽ giảm bớt do phản xạ khó chịu (mất chừng 0,25 giây) làm tránh được chùm tia sáng chói. Tuy nhiên, nếu năng lượng laser để gây ra phá hủy ngắn hơn 0,25 giây, thì cơ chế phòng vệ tự nhiên này không hiệu quả, hoặc không mang lại bất cứ sự bảo vệ nào cho dải hồng ngoại gần không nhìn thấy có bước sóng giữa 700 và 1400nm. Laser hoạt động ở dạng xung còn có rủi ro khác nữa do khả năng phát sóng gây sốc âm trong mô võng mạc. Các xung laser có thời gian dưới 10 micro giây gây ra các sóng gây sốc làm vỡ mô. Loại thương tổn này là vĩnh viễn và có thể gay gắt hơn sự cháy nhiệt, vì sự phá hủy âm thường ảnh hưởng tới một vùng rộng hơn của võng mạc, và yêu cầu năng lượng tạo ra hiệu ứng thấp hơn. Bởi vậy, độ phơi sáng cực đại được phép trong các chuẩn điều chỉnh phải giảm xuống đối với laser xung ngắn.
Hồng ngoại B và hồng ngoại C (1.400 – 1.000.000nm): Ở những bước sóng dài hơn 1400nm, giác mạc hấp thụ năng lượng do thành phần nước của mô và màng nước mắt tự nhiên, và sự tăng nhiệt độ thu được gây ra sự biến tính của các protein nằm gần bề mặt. Chiều sâu xâm nhập tăng lên ở những bước sóng dài hơn, và các ảnh hưởng nhiệt lên protein thủy tinh thể, ở nhiệt độ tới hạn không cao lắm so với nhiệt độ cơ thể bình thường, có thể dẫn đến sự kéo mây, thường gọi là đục nhãn mắt hồng ngoại. Ngoài việc hình thành bệnh đục nhãn và cháy giác mạc, bức xạ hồng ngoại còn có thể làm tóe thủy dịch, trong đó môi trường thủy dịch trong suốt bình thường của khoang phía trước bị tổn hại vì các mạch máu bị vỡ. Nói chung, bức xạ laser tử ngoại và hồng ngoại gần bị hấp thụ tại giác mạc hoặc thủy tinh thể, và kết quả của nó phụ thuộc vào cường độ và thời gian phơi sáng. Ở cường độ cao, sự cháy nhiệt tức thời xảy ra, còn sự phơi sáng thấp hơn có thể dẫn đến bệnh đục nhãn mắt trong thời gian nhiều năm. Các mô màng kết của mắt cũng có thể bị thương tổn do phơi sáng laser, mặc dù sự phá hủy các mô màng kết và màng sừng thường xảy ra ở các mức công suất cao hơn so với thương tổn võng mạc. Vì thương tổn võng mạc tạo ra những kết quả tức thì nghiêm trọng hơn, nên sự tổn hại màng sừng thường chỉ được xem là một mối quan tâm nghiêm trọng đối với các laser hoạt động ở những bước sóng không tới được võng mạc (về cơ bản là hồng ngoại xa và tử ngoại). Nguy hiểm cho da Mối nguy hiểm laser đối với sự phơi sáng da thường được xem là kém quan trọng hơn mối nguy hại cho mắt, mặc dù cùng với sự tăng cường sử dụng các hệ laser công suất ngày càng cao, nhất là các bộ phát tử ngoại, thì lớp da không được bảo vệ có thể phơi ra trước mức độ bức xạ cực kì nguy hiểm trong những hệ không được đóng kín hoàn toàn. Vì da là cơ quan rộng nhất của cơ thể, nên nó có sự rủi ro lớn nhất đối với việc phơi sáng trước chùm laser, và đồng thời bảo vệ có hiệu quả đa số các cơ quan khác khỏi bị phơi sáng (với ngoại lệ là mắt). Điều quan trọng là hãy xét nhiều laser được thiết kế cho mục đích làm biến đổi vật liệu, như cắt hoặc khoan các vật liệu có sức chịu đựng lớn hơn da rất nhi ều. Bàn tay, cánh tay và đầu là các bộ phận của cơ thể rất dễ bị phơi sáng tình cờ trước chùm tia laser khi canh
chỉnh hoặc điều chỉnh những thiết bị thực nghiệm khác đang hoạt động, và nếu chùm tia có cường độ đủ mạnh, thì sự cháy nhiệt, phá hủy quang hóa, và thương tổn âm có thể xảy ra. Nguy hiểm lớn nhất cho da đến từ mật độ công suất cao của chùm tia laser và bước sóng của bức xạ xác định mức độ sâu của da bị phá hủy và loại thương tổn do nó mang lại. Chiều sâu xâm nhập của bức xạ laser vào da là lớn nhất trong vùng bước sóng chừng 300-3000nm, đạt tới cực đại trong vùng phổ hồng ngoại A tại khoảng 1000nm. Nếu laser có khả năng gây phá hủy da được sử dụng, thì những phòng ngừa tương xứng phải được thực hiện nhằm bảo vệ da, ví như mặc áo tay dài và mang găng tay làm từ chất liệu chịu lửa thích hợp. Trong nhiều trường hợp, công suất laser thấp hơn có thể được sử dụng cho thủ tục canh chỉnh được yêu cầu trong những thí nghiệm dự tính trước. Mối nguy về điện Mối nguy hiểm đi cùng với các bộ phận điện hoặc nguồn cấp điện cho laser về cơ bản là giống nhau cho hầu hết các loại, và sự phòng ngừa an toàn riêng cho mỗi cấu hình hoặc mỗi loại laser là không cần thiết. Trong số các loại laser thiết thực chủ yếu, như laser khí, laser chất rắn, laser chất nhuộm, và laser chất bán dẫn, trừ các loại laser bán dẫn ra thì tất cả đều yêu cầu hiệu điện thế cao, và thường là dòng điện cao, để tạo ra chùm tia. Cho dù là điện thế cao được áp trực tiếp vào môi trường laser chính hay vào đèn bơm hoặc laser bơm, thì nó vẫn có mặt tại một số điểm trong hệ thống. Tình huống đặc biệt nguy hiểm được tạo ra trong laser là nó vẫn có thể tích điện thế cao trong các tụ điện hoặc những bộ phận khác một thời gian lâu dài sau khi laser đã tắt. Tình huống này đặc biệt phổ biến ở laser xung, và phải luôn luôn cẩn thận khi mà lớp vỏ bọc thiết bị đã bị tháo ra vì lí do gì đó. Phương pháp an toàn nhất là luôn luôn giả định rằng một mối hiểm họa gây sốc đang có mặt, cho tới khi tình trạng khác được xác định. Nhiều laser sử dụng điện thế cao chỉ cho đến khi phát xạ laser được thiết lập, và rồi hoạt động ở mức điện
thế tương đương với các dụng cụ điện gia dụng, nhưng đây không phải là sự biện hộ cho sự thiếu đề phòng thích hợp cho bất cứ dụng cụ điện nào. An toàn laser đối với laser dùng trong kính hiển vi thông dụng Laser và các hệ thiết bị hoàn chỉnh có chứa laser phải đáp ứng những tiêu chuẩn an toàn nhất định. Tùy thuộc vào loại nguy hiểm của chúng, laser được yêu cầu phải có màn chắn, khóa chuyển điều khiển, hoặc những dụng cụ khác để ngăn ngừa tổn hại. Các kí hiệu cảnh báo được sử dụng tại mọi nơi trong phòng có laser có khả năng gây tổn hại, và tại những vị trí gần laser, nơi có mức độ nguy hại cao (một số ví dụ minh họa trong hình 4). Trong những dụng cụ chứa chùm tia sao cho người không thể đi tới mắt người sử dụng, như máy in laser và máy hát đĩa CD, sự phòng ngừa là không cần thiết. Nhiều laser trong phòng thí nghiệm có tính chất tương tự như laser công suất cao dùng trong các tổ hợp công nghiệp phát ra cùng bước sóng, và có thể yêu cầu che chắn nhằm bảo vệ người điều khiển. Bước sóng phát của một số laser được sử dụng phổ biến được tóm lược trong bảng 2. Trong tình huống làm việc trong đó không thể loại trừ tuyệt đối việc phơi sáng mắt trước chùm laser, thì phải mang kính bảo hộ. Về cơ bản thì kính bảo hộ được thiết kế nhằm chặn lại ánh sáng tại những bước sóng đặc biệt phát ra bởi laser đang sử dụng, còn ánh sáng truyền qua ở những bước sóng khác cho phép sự nhìn thích đáng. Điều quan trọng là phải có một bộ lọc laser cho mỗi loại laser – không có loại kính bảo hộ chung nào sử dụng được hết cho hết thảy loại laser hoặc cho hết tất cả các vạch phát xạ có thể của laser đa bước sóng. Vì ánh sáng laser có thể đi đến từ bất cứ góc nào, trực tiếp hoặc bởi sự phản xạ từ các bề mặt, nên kính bảo hộ phải chặn được tất cả các đường đi có thể tới mắt.
Laser sapphire titanium pha tạp (thường gọi là laser Ti:sapphire) là một ví dụ linh hoạt của loại laser chất rắn có thể điều hướng được. Loại laser này yêu cầu bơm quang học bằng một đèn flash bên trong hoặc một laser khác, có thể gắn bên trong hoặc bên ngoài hệ laser chính. Vì những cấu hình khác nhau của hệ laser Ti:sapphire, nên việc thiết đặt một chuẩn phòng ngừa an toàn không thể thực hiện được. Những laser này hoạt động ở bước sóng liên tục hoặc dạng xung, và tùy thuộc vào hệ cung cấp bơm quang học, các yêu cầu điện và mối nguy hiểm điện thay đổi đáng kể. Bước sóng điều hướng của laser sapphire titanium pha tạp thường biến thiên từ xấp xỉ 700 tới 1000nm, và do đó các tiêu chuẩn phòng ngừa an toàn đối với những laser phát ra bức xạ có khả năng đi tới võng mạc (ngắn hơn 1400nm) phải được tuân thủ. Vì bước sóng phát biến thiên, nên đòi hỏi phải có nhiều hơn một loại kính bảo hộ, và người dùng phải chắc chắn rằng dụng cụ chặn chùm tia phải thích hợp với (những) bước sóng được phát ra. Một xung ngắn công suất cao phát ra trong hoạt động dạng xung có thể làm hỏng mắt vĩnh viễn, và sự phòng ngừa phải được thực hiện đảm bảo rằng mọi đường đi khả dĩ tới mắt đều bị chặn, cả đường đi trực tiếp và ngoại biên. Điều quan trọng là phải nhận thấy rằng sự phát xạ tản lạc từ laser bơm trong một số cấu hình laser Ti:sapphire còn nguy hiểm hơn chùm laser chính, và nếu có khả năng ánh sáng này đi tới khu vực làm việc, thì phải sử dụng phương tiện bảo vệ mắt chặn lại bước sóng laser bơm. Nếu laser bơm được dùng là riêng biệt với
laser mẹ, thì phải yêu cầu phòng ngừa thêm nhằm loại trừ sự phơi sáng có thể xảy ra với ánh sáng tản lạc do việc ghép đôi hai laser. Trong hệ bơm bằng đèn flash, điện thế cao áp vào đèn có thể vẫn còn vì tụ tích điện trong bộ nguồn cả khi đơn vị đã tắt, và sự phòng ngừa là cần thiết nhằm ngăn chặn sự sốc điện khi tiến hành bão dưỡng laser. Các bước sóng hồng ngoại gần phát ra bởi loại laser này có thể đặc biệt nguy hiểm, bởi vì mặc dù chùm tia là không nhìn thấy hoặc có thể nhìn thấy mờ nhạt ở gần đầu 700nm của dải phát xạ, nhưng một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại sẽ hội tụ trên võng mạc. Việc pha tạp crôm của những chất trạng thái rắn khác nhau cho thấy triển vọng to lớn trong sự phát triển của các laser điều hướng mới, và khi những laser này ngày càng dùng phổ biến hơn, thì những thủ tục an toàn đối với mỗi loại phải được xét đến. Crôm pha tạp liti stronti nhôm florit (Cr: LiSAF) hứa hẹn sẽ là chất hoạt tính laser bơm doide, và được dùng thay thế cho laser Ti:sapphire trong một số ứng dụng hiển vi nhân quang. Với bước sóng phát xạ điều hướng trong vùng hồng ngoại, yêu cầu phòng ngừa an toàn tương tự như đối với laser Ti:sapphire. Tuy nhiên, vì laser pha tạp crôm là sản phẩm mới được phát triển tương đối gần đây, nên người dùng còn e ngại rằng các bộ lọc và kính bảo hộ có thể không sẵn sàng đối với những bước sóng phát xạ đặc biệt của chúng.