Влияние лазерного излучения: Влияние лазерного излучения на организм человека » ООО Юрикон-Группа

Воздействие лазерного излучения на организм человека

Биологическое действие излучений лазеров находится в зависимости от ряда факторов: мощности излучения, длины волны, характера импульса, частоты следования импульсов, продолжительности облучения, величины облучаемой поверхности и др. Можно выделить термическое и нетермическое, местное и общее действие излучения.

Термический эффект для лазеров непрерывного действия имеет много общего с обычным нагревом. Под влиянием лазеров, работающих в импульсном режиме в облучаемых тканях, происходит быстрый нагрев и мгновенное вскипание жидких сред, что, в конечном счете, приводит к механическому повреждению тканей. Нетермическое действие в основном обусловлено процессами, возникающими в результате избирательного поглощения тканями электромагнитной энергии, а также электрическим и фотохимическим эффектами.

В характере действия лазерного излучения на организм человека можно выделить два эффекта: первичный и вторичный.

Первичные эффекты возникают в виде органических изменений в облучаемых тканях (глаз, кожа). Попадая в глаз, энергия лазера абсорбируется пигментными элементами и в течение очень короткого времени повышает в нем температуру до высоких уровней, вызывая термокоагуляцию прилегающих тканей — хориоретинальный ожог.

Термические нарушения сопровождаются повреждениями сетчатки оболочки глаза. Особенно опасны повреждения центральной ямки области сетчатки как более важной в функциональном отношении. Повреждения этой области могут привести к глубоким и стойким нарушениям центрального зрения.

Лазерное излучение может вызвать повреждение кожи. Степень воздействия определяется как параметрами излучения лазера, так и пигментацией кожи, состоянием кровообращения. Повреждения кожи напоминают термический ожег, который имеет четкие границы, окруженные небольшой зоной покраснения.

Вторичные эффекты — неспецифические изменения, возникающие в организме как реакция излучения. При этом возможны функциональные расстройства центральной нервной и сердечно-сосудистой системы, неврозы астенического типа, патология вегетативно-сосудистой системы в виде вегетативно-сосудистых дисфункций и астеновегетативных синдромов.

Сердечно-сосудистые расстройства могут проявляться сосудистой дистонией по гипотоническому или гипертоническому типу, нарушением мозгового кровообращения. В картине периферической крови выявляется незначительное снижение гемоглобина, увеличение количества эритроцитов, ретикулоцитов, уменьшение количества тромбоцитов. Возможны изменения липоидного, углеводного и белковых обменов и др.

Для обеспечения безопасности работы на лазерных установках необходимо выполнять требования к технологическим процессам, размещению оборудования и организации рабочих мест:

1.      Должно    быть     обеспечено    дистанционное     управление     при обслуживании установок с лазерами IV класса.

2.      В технологических процессах, как правило, должны применяться лазерные   установки   закрытого   типа,   чтобы   исключить   облучение персонала.

3.      Необходимо ограничивать лазерно-опасную зону или экранировать пучок    излучения.    С    помощью    огнестойкого    светопоглощающего материала.ионизирующей радиации.

5.      Лазеры маркируют знаком лазерной опасности в соответствии с действующим стандартом.

Для безопасной эксплуатации лазеров важно, чтобы помещения, в которых они размещаются, отвечали .гигиеническим требованиям:

1.       Лазеры IV  класса нужно  размещать  в отдельных  помещениях, устройство    которых    и    их    внутренняя   отделка   должны    отвечать требованиям  санитарных  норм   и  правил  устройства  и   эксплуатации лазеров.

2.       Двери  помещений для  лазеров  III — IV  классов  должны  быть оборудованы     внутренними     замками,     табло     «Посторонним     вход воспрещен» и знаком лазерной опасности.

3.       Естественное и искусственное освещение должно соответствовать действующим  нормам.   Воздух  рабочей  зоны,  производственной  зоны помещений,    где    эксплуатируются    лазеры,    должен    соответствовать

гигиеническим требованиям. Если работа лазера сопровождается образованием вредных газов, паров, аэрозолей, то на рабочих местах оборудуется вытяжная вентиляция, которая локализует и удаляет вредные продукты мс места их образования.

4.       На открытых площадках, где размещаются лазеры,  обозначается зона  повышенной  плотности   энергии   излучения,   и   устанавливаются экраны, предотвращающие распространение излучения лазеров за пределы площадки.

5.       Для предотвращения поражения прямым или зеркально отраженным лучом лазера предусматриваются ограждения, исключающие возможность выхода  луча  за  пределы   установки   закрытого   типа  и   возможность проникновения   человека   в   зону   прохождения   луча.   Применяются блокировки или затворы для зашиты глаз работающего на установке, в которой   система   наблюдения    совмещена   с    оптической    системой. Используются защитные очки.

6.       Для   защиты   работающего   от  поражения   электрическим   током используются    различные    дистанционные    управления,    блокировки, автоматические замыкатели, механические заземлители, сигнализация и защитные средства. Все элементы установок лазера, находящиеся под напряжением,    ограждаются,    а    металлические    корпуса    установок заземляются. Способы защиты персоналаот электромагнитных полей и шума,   а  также  допустимые   санитарные   нормы,   сроки   контрольных измерений,    приборы    и    методики    этих    измерений    указаны     в соответствующих разделах специального справочника.

7.       К  работе   с   лазером   допускаются   лица,   достигшие   18-летнего возраста.    Персонал,    обслуживающий    лазерные   установки,    должен проходить   периодические   и   предварительные   медицинские   осмотры, обязателен инструктаж по безопасным методам работы с лазерами и др.

8.       Персоналу   запрещается   осуществлять   наблюдение   без   средств индивидуальной защиты глаз при эксплуатации лазеров II — IV классов опасности и размещать в зоне лазерного пучка предметы, вызывающие зеркальное отражение излучения, если оно не связано с технологической потребностью. В качестве средств индивидуальной защиты используют защитные очки со светофильтрами, а при работе с лазерами   IV класса опасности   применяют  защитные   маски.   Для   защиты   от   лазерного излучения и при работе сна лазерных установках применяют только те средства    защиты,     на     которые   имеется     нормативно-техническая документация, утвержденная в установленном порядке.

Влияние лазерного излучения на организм человека

Лазер (laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения») – устройство, которое излучает интенсивный, направленный луч света. Он имеет множество полезных применений, но неконтролируемое воздействие лазера на человека вредно для здоровья. Наиболее частая причина повреждения тканей, вызванного лазером, имеет термическую природу, когда белки ткани денатурируются из-за повышения температуры после поглощения лазерной энергии.

Человеческое тело уязвимо для излучения определенных лазеров, и при определенных обстоятельствах их воздействие может привести к повреждению глаз и кожи. Исследования, касающиеся пороговых значений повреждения глаз и кожи, были проведены для понимания биологических опасностей лазерного излучения. Сейчас широко признано, что человеческий глаз почти всегда более уязвим для травм, чем человеческая кожа.

Только эффективная работа отдела по охране труда может защитить работников от опасных излучений. Мы помогаем предприятиям обеспечить безопасность путем аудита, измерений и разработки документов.

Как лазерный луч повреждает ткани?

Лазерное излучение достаточной интенсивности и продолжительности воздействия может привести к необратимому повреждению кожи и глаз человека. Наиболее распространенной причиной повреждения тканей, наведенного лазером, является термальная природа. Это процесс, при котором белки ткани денатурируются из-за повышения температуры после поглощения энергии лазера. Процесс термического повреждения обычно осуществляется лазерами, воздействующими в течение более 10 микросекунд при длине волны от ближнего ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона (0,315 — 103 мкм).

Фотохимические реакции являются основной причиной повреждения тканей после воздействия либо ультрафиолетового излучения (200 — 315 нм) в течение любого времени экспозиции, либо «коротковолнового» видимого излучения (400 — 550 нм), когда экспозиция превышает 10 секунд. Повреждение ткани также может быть вызвано после воздействия очень короткого лазерного импульса.

Текущие данные указывают на то, что основной причиной поражения является тепловой процесс, в котором эффекты отдельных импульсов складываются. Как острое, так и хроническое воздействие всех форм оптического излучения может вызывать повреждение кожи разной степени.

Насколько опасно лазерное излучение?

Для обычных лазерных источников в диапазоне от 0,3 до 1,0 мкм почти 99% излучения, проникающего в кожу, поглощается, по крайней мере, в наружных 4 мм тканей.

Основные тепловые эффекты лазерного воздействия зависят от следующих факторов:

• Коэффициенты поглощения и рассеяния тканей.
• Длина волны лазерного луча.
• Длительность экспозиции и характеристики повторения импульсов.
• Размер облучаемой области.

При длинах волн более 400 нм реакция кожи на поглощенное оптическое излучение по существу является термически индукцированным некрозом. Этот вид травмы может быть вызван любым источником оптического излучения с аналогичными параметрами и поэтому не является реакцией, специфичной для лазерного излучения. По причинно-следственной связи и клиническому виду она похожа на глубокий электрический ожог.

Многочисленные типы лазеров были исследованы довольно широко для лечения кожных заболеваний. Конечно, повреждение кожи имеет меньшее значение, чем повреждение глаз; однако с расширением использования более мощных лазерных систем, незащищенная кожа персонала, использующего лазеры, может подвергаться более часто опасным уровням.

При импульсном лазерном излучении, в том числе и при облучении в течение пикосекунд, в тканях могут возникать и другие вторичные реакции. Это может в конечном итоге активизировать рост раковых клеток.

Воздействие лазерного излучения на биологические клетки

%PDF-1.6
%
1 0 obj
>
endobj
6 0 obj

/Author
/Creator (PScript5.dll Version 5.2.2)
/Keywords
/Producer (Acrobat Distiller 11.0 \(Windows\))
/ModDate (D:20190917144754+07’00’)
/Title
>>
endobj
2 0 obj
>
stream
2019-09-17T14:47:54+07:002019-09-17T14:44:32+07:002019-09-17T14:47:54+07:00PScript5.dll Version 5.2.2application/pdf

uuid:17ee8869-ec58-4bc0-b138-804b221c46d1uuid:914fc813-fe9a-40aa-ac28-80a9794aa583Acrobat Distiller 11.0 (Windows)laser, biological cell, thermal influence, biological influence, physiological
processes, ablation, coagulation

endstream
endobj
3 0 obj
>
/Encoding >
>>
>>
endobj
4 0 obj
>
endobj
5 0 obj
>
endobj
7 0 obj
>
endobj
8 0 obj
>
endobj
9 0 obj
>
endobj
10 0 obj
>
/ColorSpace >
/Font >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageC /ImageI]
/ExtGState >
>>
/Type /Page
/Annots [33 0 R]
>>
endobj
11 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
/ExtGState >
>>
/Type /Page
>>
endobj
12 0 obj
>
/ColorSpace >
/Font >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
/ExtGState >
>>
/Type /Page
>>
endobj
13 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
/ExtGState >
>>
/Type /Page
>>
endobj
14 0 obj
>
/ProcSet [/PDF /Text]
/ExtGState >
>>
/Type /Page
>>
endobj
15 0 obj
>
endobj
16 0 obj
>
stream
HWj$7=ڰ-~03CnȃM8!هER{Գ!O!6tSNU)zVO»x}yf-aU};qJ*ED KFYQ*+

>|s>w~^4p~+jڑdr/7جqp0″{#’c3~9=FyRd:X0ryck/>2kUp7Cp/d㯇6Ī&DϥrZ

;r»z%}Pq|DT;»w/@T-[cr@

Особенности безопасной работы с лазерами в оптической хирургии

Когда лазеры только стали появляться в лабораториях, как сами приборы, так и их приложения были настолько специальными, что вопрос о безопасности работы с лазерными излучателями вставал перед весьма ограниченным кругом исследователей и инженеров и не был предметом общего обсуждения. Сейчас, когда использование лазеров в научных лабораториях и промышленных предприятиях стало обычным делом, а применение лазеров в повседневной жизни значительно расширилось, исследователи просто обязаны решить вопрос о безопасности работы с этими устройствами. Лазеры стали неотъемлемым компонентом многих современных методов оптической микроскопии, и, в составе сложных оптических систем, они могут представлять серьезную угрозу при несоблюдении мер безопасности.

Рис.1. Анатомия человеческого глаза

Две главных составляющих опасности при работе с лазерными источниками — это облучение лазерным лучом и поражение током, связанное с высокими напряжениями в самом лазере и в источнике питания. Хотя смертельные случаи в результате облучения лазерным лучом неизвестны, есть несколько примеров смертельных исходов при контакте с компонентами лазера под высоким напряжением. Лучи достаточно высокой мощности могут вызвать ожоги кожи или, в некоторых случаях, привести к возгоранию или повреждению каких-либо материалов, но главной опасностью лазерного луча является возможность повреждения глаз, как наиболее чувствительного к свету органа. Многими государственными и другими организациями разработаны стандарты безопасности при работе с лазерами; некоторые из них носят обязательный, а некоторые рекомендательный характер. Большинство требований стандартов безопасности, закрепленных законом, относится к производителям лазеров, хотя конечный потребитель должен быть больше всех заинтересован в безопасной работе — предупреждении возможных повреждений или даже смерти.

Вред глазу может быть нанесен мгновенно, поэтому, чтобы минимизировать риск, меры предосторожности необходимо принимать заранее, так как в последний момент может быть уже поздно. Лазерное излучение подобно солнечному свету в том смысле, что оно тоже падает на глаз параллельными лучами, которые очень эффективно фокусируются на сетчатке, внутренней оболочке глаза, чувствительной к свету. На рисунке 1 представлено общее анатомическое строение человеческого глаза, с выделением структур особенно чувствительных к интенсивному излучению. Потенциальная опасность для глаз зависит от длины волны лазерного излучения, интенсивности пучка, расстоянию от излучателя до глаза и мощности лазера (как среднего значения мощности при непрерывной генерации импульсов, так и пиковой мощности при импульсном излучении). Длина волны имеет очень большое значение, потому что только излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров может попасть в гла и значительно повредить сетчатку. Свет в ближнем УФ-диапазоне может повредить слои, близкие к поверхности глаза, и привести к развитию катаракты, особенно у молодых людей, глазная ткань которых более прозрачна для света этих длин волн. Свет ближней ИК-области также может повредить поверхность глаза, хотя и с более высоким порогом повреждения (лучевой стойкости), чем ультрафиолет.

Реакция человеческого глаза на разные длины волн не одинакова и это определяет, наряду с другими факторами, описанными ниже, потенциальный вред глазу. Воздействие импульсных лазеров отличается от воздействия лазеров с непрерывным излучением. На практике, лазеры, работающие в импульсном режиме, имеют большую мощность, и единичный микросекундный импульс достаточной мощности может нанести серьезное повреждение при попадании в глаз, тогда как менее мощное непрерывное излучение может повредить глаз только при длительном облучении. Спектральная область особой важности — это опасный для сетчатки диапазон, который располагается между 400 (фиолетовый цвет) и 1400 нанометрами (ближняя ИК-область спектра), включая всю видимую область спектра электромагнитного излучения. Опасность повреждения светом этих длин волн усиливается возможностью глазной фокусировки, когда направленный свет собирается глазом на сетчатке в очень маленькое пятно, с очень высокой концентрацией мощности на единицу площади.

Классификация лазеров

Среди множества стандартов безопасности, разработанных для работы с лазерами, как государственными, так и другими организациями, основополагающим в США являются стандарты Z136 серии, принятые Американским национальным институтом стандартизации (ANSI). Стандарты безопасной работы с лазерами ANSI Z136 являются основой технических правил, утвержденных Управлением охраны труда (OSHA) и используемых для оценки рисков при работе с лазерами. Кроме того, они являются отправной точкой для технических инструкций, принятых во многих штатах. Вся лазерная продукция, продаваемая в США с 1976 года, должна быть классифицирована согласно этим стандартам и сертифицирована как отвечающая требованиям безопасности для своего класса. Результаты исследований и накопленное с опытом понимание потенциальной угрозы солнечного света и других источников излучения привели к установлению номинальной безопасной дозы облучения для большинства типов лазерного излучения. Для упрощения процедур обеспечения безопасности в целях предотвращения несчастных случаев была разработана система категорий безопасности лазеров, основанная на установленном пределе допустимого облучения и опыте, приобретенном за годы использования лазеров. Производитель лазера обязан сертифицировать свою лазерную продукцию на соответствие требованиям одной из категорий или классов риска, и соответствующим образом маркировать излучатели. В приведенном ниже списке кратко описаны четыре основные категории лазеров. Необходимо подчеркнуть, что это изложение является кратким и не отражает полного списка требований к категориям лазеров по степени их опасности.

• Класс I Лазеры этого класса являются безопасными, согласно современным представлениям, при любом возможном излучении, при их конструкции. К маломощным устройствам (0.4 милливатт на длинах волн видимой области спектра), использующими лазеры этого класса, относятся лазерные принтеры, CD-плееры, оборудование для съемки. Не допускается, чтобы испускаемое ими излучение превышало предельно допустимый уровень воздействия на глаз. Более опасные лазеры могут быть включены в класс I, но никакое вредное излучение не должно проникать наружу во время работы устройства или его технического обслуживания (но не обязательно во время сервисного обслуживания или ремонта). Для использования лазеров этого класса не предусмотрено никаких особых мер безопасности.
• Класс IA — специальное обозначение лазеров, со специальной областью применения, когда попадание лазерного луча в глаза маловероятно, например лазерные сканеры в супермаркетах. Для них допустима большая, чем для лазеров класса I, мощность (не более 4 милливатт), но предел длительности излучения лазеров класса I не должен превышать 1000 секунд.
• Класс II — это маломощные лазеры, генерирующие видимое излучение. Яркость пучка должна быть такой, чтобы предупредить достаточно длительное облучение глаза и возможность повреждения сетчатки. Допустимая мощность излучения этих лазеров не превышает 1 милливатт, что ниже максимально допустимого предела облучения для мгновенного импульса в 0,25 секунд и менее. Считается, что естественный рефлекс моргания глаз на свет этой яркости должен защитить глаза, но любое намеренное наблюдение в течение длительного времени может нанести вред. К лазерам этого класса относятся демонстрационные лазеры в учебных комнатах, лазерные указки, различные дальномеры.
• Класс IIIA — это лазерные устройства с непрерывной генерацией импульсов излучения средней мощности (1–5 милливатт), которые применяются в тех же областях, что и лазеры класса II, включая сканеры и указки. Они считаются безопасными при мгновенном попадании в глаз лазерного излучения (в течение менее 0,25 секунд), но при этом прямое попадание излучения в глаз или наблюдение через увеличительную оптику не допускается.
• Класс IIIB — это лазеры средней мощности (непрерывная генерация излучения мощностью 5–500 милливатт, или 10 Дж на квадратный сантиметр в импульсных лазерах). Они небезопасны при прямом попадании в глаз или при зеркальном отражении. Специальные меры предосторожности описаны в стандартах безопасности для этого класса лазеров. Примерами этого типа лазеров являются спектральные приборы, конфокальные микроскопы, устройства для лазерных шоу.
• Класс IV — это лазеры высокой мощности, превышающей мощность устройств класса IIIB, которые требуют строжайшего контроля за соблюдением мер безопасности при их использовании. Как прямой, так и диффузно-рассеянный лучи этого лазера являются опасными для глаз и кожи и могут вызвать возгорание материала, на который они падают (зависит от материала). Большинство повреждений глаз вызвано отраженным светом лазеров класса IV, поэтому все отражающие поверхности должны быть убраны с пути луча, и необходимо носить в течении всего времени работы с этими лазерами соответствующие защитные очки. Лазеры этой категории применяются в хирургии, при выполнении операций резания, сверления, микрообработки и сварки.

Хотя сегодня стандарты ANSI Z136 классифицируют лазеры на классы от I до IV, скорее всего, при следующем пересмотре стандартов ANSI будет принята новая классификация безопасности лазеров, чтобы привести ее в большее соответствие с международными стандартами, например, с принятыми Международной электротехнической комиссией (IEC) и теми, которые уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Изменения в стандартах, главным образом, являются ответом на повсеместное распространение таких устройств, как лазерные указки и подобных им, которые обычно используются людьми, незнакомыми с лазерной безопасностью. В этих изменениях также попытаются учесть специальные характеристики источников с высокой расходимостью пучка, таких как лазерные диоды. Эти изменения незначительны, и, в целом, с учетом накопленных знаний и опыта, продолжают курс на ослабление консервативных стандартов, разработанных в 1970-х годах.

Рис.2. Характеристики пропускания глаза человека

Новая классификация сохраняет четыре основных класса лазеров от 1 до 4, но смягчает требования в классах 1, 2 и 3 и вводит в них специальные подкатегории: 1M, 2M и 3R. Вкратце, новые категории могут быть описаны следующим образом: класс 1M включает лазеры, неспособные нанести вред, за исключением случаев попадания в глаза через оптические приборы. Лазеры класса 2M излучают видимый свет и безопасны, если не смотреть на них через оптические приборы и если время попадания на глаз менее 0,25 секунды. Это то время, за которое естественная ответная реакция на яркий свет и рефлекс моргания защищают сетчатку от повреждений. В класс 3R включены лазеры, которые приближаются к категории опасных при прямом попадании в глаз лазерного излучения. Они могут иметь выходную мощность в пять раз большую, чем лазеры классов 1 и 2. При их эксплуатации должны быть приняты дополнительные меры для предотвращения прямого попадания излучения, особенно для невидимого спектра.

Потенциальная опасность поражения глаз

Примечательно, что общим предостережением для большинства категорий лазеров является запрет смотреть на лазерный луч через любую увеличительную оптику. Основная опасность, которую лазеры представляют для человеческого глаза, следует из того, что глаз сам по себе является высокоточным и эффективным фокусирующим оптическим устройством для света в определенном диапазоне. Объединение лазеров с оптикой микроскопов только увеличивает потенциальную опасность поражения глаз лазерным излучением. Обычно в оптических лабораториях находится много лазеров, как встроенных в другие системы, например, во флуоресцентные микроскопы, так и в качестве источников света, устанавливаемых на открытых оптических скамьях. Главной опасностью, исходящей от этих «открытых» лазеров, является возможность попадания в глаза рассеянных горизонтальных лучей на высоте стола, лучей, отраженных от плоскости стола, от оптических компонентов и внешних отражающих поверхностей, таких как ременные пряжки, часы, драгоценности и любые другие отражающие поверхности в помещении. Попадание на долю секунды даже малой дозы отраженного излучения может быть достаточным для повреждения глаз и временной потери зрения.

Вероятность повреждения различных структур глаза лазерным излучением зависит от типа этих структур. Будет ли повреждена роговица, хрусталик, или сетчатка зависит от характеристик поглощения различных глазных тканей, а также длины волны и интенсивности лазерного излучения. Длина волны излучения, попадающего на сетчатку, внутреннюю поверхность глаза, определяется суммарными характеристиками пропускания глаза. На рисунке 2 представлена зависимость пропускания глаза от длины волны излучения в соответствующем спектральном диапазоне. Сетчатка, хрусталик и стекловидное тело глаза пропускают электромагнитное излучение в диапазоне приблизительно от 400 до 1400 нанометров, называемом диапазоном глазной фокусировки. Свет этого диапазона фокусируется на сетчатке — чувствительной поверхности, откуда сигналы поступают в мозг по зрительному нерву. При взгляде прямо на точечный источник света (что именно и происходит при прямом попадании в глаза коллимированного пучка лазерных лучей), на сетчатке формируется фокусное пятно малой площади, с высокой плотностью энергии, что с большой вероятностью приводит к повреждению глаза. Мы подвергаем себя, в определенной степени, той же опасности, когда прямо смотрим на солнце, только в случае лазеров, она еще больше.

Оптическое усиление ненапряженного человеческого глаза при попадании коллимированного пучка лучей, которое выражается как отношение площади зрачка к площади (сфокусированного) изображения на сетчатке, составляет величину около 100000. Это соответствует увеличению облученности (плотности потока излучения) при прохождении света от роговицы до сетчатки в пять раз. С учетом аберрации в системе хрусталик-роговица и дифракции на радужной оболочке глаза, нормальный глаз способен фокусировать на сетчатке пятно размером 20 микрометров. Такая эффективность глаза приводит к тому, что даже маломощный лазерный луч, при попадании в глаза, может быть сфокусирован на сетчатке и почти мгновенно прожечь в ней отверстие, безнадежно повредив при этом зрительные нервы. Кажущаяся малая мощность лазеров может быть очень обманчива, учитывая опасную степень концентрации энергии излучения при фокусировке лучей пучка. В случае прямого попадания в глаза лазерного пучка мощностью 1 милливатт, облученность, сетчатки составляет 100 ватт на квадратный сантиметр. Для сравнения, плотность потока солнечных лучей, если смотреть прямо на солнце, равняется 10 ваттам на квадратный сантиметр.

На рисунке 3 сравниваются возможности глаза при фокусировании света от двух источников: света от протяженного источника, такого как обыкновенная матированная стеклянная лампа, и высококоллимированного лазерного луча, который очень близок к свету от точечного источника. Из-за различной природы источников света, плотность потока на сетчатке от сфокусированного лазерного луча мощностью 1 милливатт может быть в миллион раз больше, чем от обыкновенной 100-ваттной лампочки. Если предположить, что лазерный пучок с идеальным гауссовским распределением интенсивности излучения по поперечному сечению падает на свободный от аберрации глаз под прямым углом, то размер пятна, ограниченного дифракционным пределом, может составить всего 2 микрона. Для протяженного источника этот размер будет порядка нескольких сотен микрон. При этом плотность потока (интенсивность излучения) на сетчатке, как показано на рисунке 3, составляет приблизительно 10•(E8) и 10•(E2) ватт на квадратный сантиметр соответственно.

Может показаться, что прожженное на сетчатке пятно, даже размером 20 микрометров, не приведет к существенному ухудшению зрения, поскольку сетчатка содержит миллионы колбочек (зрительных клеток). Тем не менее, повреждения сетчатки обычно больше первоначального фокусного пятна благодаря вторичным термическим и акустическим эффектам; и в зависимости от расположения, даже совсем маленькое повреждение сетчатки может привести к значительному ухудшению зрения. В самом худшем случае, когда глаз полностью расслаблен (сфокусирован на бесконечности), а лазерный луч падает на него под прямым углом или зеркально отраженный, луч фокусируется на сетчатке в самое маленькое пятно. Если повреждение происходит в месте соединения зрительного нерва с глазом, результатом может быть полная потеря зрения. Ожог сетчатки чаще всего возникает в области центрального зрения, macula lutea (желтое пятно), имеющей размеры около 2,0 миллиметров по горизонтали и 0,8 миллиметров по вертикали. Центральная часть пятна, называемая fovea centralis (центральная ямка), всего 150 микрометров в диаметре, но именно она обеспечивает остроту зрения и восприятие цвета. Области сетчатки вне этого крошечного участка воспринимают свет и фиксируют движение, то есть формируют периферийное зрение, но не участвуют в различении деталей. Следовательно, повреждение центральной ямки, хоть она и занимает всего 3–4 процента от площади сетчатки, может привести к необратимой потере остроты зрения.

Рис.3. Плотность излучения, попадающего на сетчатку от протяжённого и точечного источника

Диапазон длин волн, достигающих сетчатки глаза, охватывает весь видимый спектр от синего (400 нанометров) до красного (700 нанометров), а также ближнюю ИК-область спектра от 700 до 1400 нанометров (IR-A). Поскольку сетчатка не чувствительна к излучению вне видимого спектра, то при облучении ее ближними инфракрасными волнами, в глазу не возникает никаких ощущений, что делает лазеры, работающие в этом диапазоне гораздо более опасными для глаз. Будучи невидимым, луч, тем не менее, фокусируется на сетчатке. Как уже обсуждалось выше, из-за эффективной фокусирующей способности глаза, относительно небольшое лазерное излучение может повредить сетчатку, а иногда привести и к серьезным проблемам со зрением. Излучение импульсных лазеров обладает высокой интенсивностью, и при фокусировке на сетчатке может вызывать резкое кровоизлияние, причем пострадавший участок может быть по размеру гораздо больше фокусного пятна. Пораженные области сетчатки не заживают и, как правило, не восстанавливаются.

Благодаря другим компонентам глаза, главным образом роговице и хрусталику, поглощаемое сетчаткой излучение ограничено диапазоном глазной фокусировки, что по-другому можно назвать опасным для сетчатки диапазоном. В процессе поглощения вред наносится и самим поглощающим структурам. Но страдает при этом только ткань, поглощающая излучение, и ткани, непосредственно примыкающие к ней. В большинстве примеров облучения на длинах волн вне диапазона от 400 до 1400 нанометров, последствия были непродолжительными. Роговица ведет себя подобно коже, в том смысле, что она постоянно обновляется, и только весьма серьезные повреждения, приводящие к рубцам, могут повлиять на эффективность зрения. Наиболее сильное поражение роговицы вызывает излучение дальнего ИК и УФ спектра.

Из-за высокой фокусирующей способности глаза, облучение даже относительно слабым когерентным лазерным пучком может причинить непоправимый вред. Следовательно, при использовании мощного лазера, зеркальное отражение (при котором сохраняется когерентный пучок) даже нескольких процентов потока излучения в течение доли секунды, может вызвать повреждение глаза. И напротив, когда лазерный пучок отражается от шероховатой поверхности или, даже, от частиц пыли в воздухе, излучение рассеивается, и диффузно-отраженное излучение попадает в глаз под большим углом. При распределении энергии светового потока на большей площади, отраженный свет приобретает свойства протяженного источника, и создает на сетчатке изображение большего размера, в сравнении с концентрированным фокусным пятном от точечного источника (см. рисунок 3). Диффузия пучка, таким образом, уменьшает вероятность повреждения глаза не только за счет увеличения размера источника и уменьшения плотности светового потока, но также благодаря нарушению когерентности луча.

Таблица 1. Биологическое воздействие лазерного излучения

Потенциальные поражения глаз могут быть классифицированы относительно длины волны лазерного излучения и по структурам глаза, которые могут быть повреждены. При этом наиболее сильное воздействие оказывается на сетчатку, а наиболее опасным диапазоном оказывается видимая и ближняя инфракрасная области спектра. В зависимости от количества поглощенной энергии, возможен тепловой ожог, поражение акустической волной или фотохимические изменения. Биологическое воздействие, оказываемое на глазные ткани излучением на различных длинах волн, кратко описано ниже и перечислено в таблице 1.

Ультрафиолет-B и C

(200–315 нанометров): Поверхность роговицы поглощает весь ультрафиолетовый свет в этом диапазоне, не допуская попадания излучения на сетчатку. В результате может развиться фотокератит (иногда называемый «сварочными зайчиками»), как следствие фотохимических процессов, приводящих к денатурации белка роговицы. В дополнение к лазерному, излучение этого диапазона может возникать от лазерной накачки или как компонент синего света при попадании в мишень, что требует дополнительных мер предосторожности кроме описанных в стандартах ANSI, которые учитывают лишь лазерное излучение. Воздействие на глаз в этом диапазоне обычно непродолжительно благодаря быстрому восстановлению роговичной ткани.

Ультрафиолет-A

(315–400 нанометров): Роговица и стекловидное тело пропускают свет этих длин волн, который поглощается, главным образом, хрусталиком глаза. Фотохимическая денатурация белка хрусталика приводит к развитию катаракты.

Видимый свет и инфракрасный-A

(400–1400 нанометров): Этот спектральный отрезок часто называют опасным для сетчатки диапазоном по той причине, что роговица, хрусталик и стекловидное тело прозрачны для света этих длин волн, и световая энергия поглощается сетчаткой. Поражение сетчатки возникает в результате тепловых или фотохимических процессов. Фотохимическое повреждение рецепторов сетчатки, может ухудшить либо общую светочувствительность или цветочувствительность глаза, а инфракрасные волны могут вызвать образование катаракты хрусталика. При поглощении глазом значительного количества энергии лазерного излучения, наиболее вероятен тепловой ожог, при котором свет, поглощенный гранулами меланина пигментированного эпителия, преобразуется в тепло. При фокусировке лазерного излучения этого диапазона роговицей и хрусталиком происходит увеличение облученности сетчатки приблизительно в 100000 раз. Вероятность поражения глаз излучением видимого диапазона лазеров относительно малой мощности, сокращается благодаря рефлексу моргания глаз (занимающего около 0,25 секунды), что помогает отвести взгляд от яркого луча. Если энергии пучка достаточно для повреждения глаза менее чем за 0,25 секунды, этот естественный защитный механизм становится неэффективен; к тому же он абсолютно бесполезен в невидимом ближнем инфракрасном диапазоне от 700 до 1400 нанометров. Лазеры, работающие в импульсном режиме, представляют дополнительную опасность поражения из-за генерации ударно-акустических волн в ткани сетчатки. Лазерные импульсы длительностью менее 10 микросекунд генерируют ударные волны, приводящие к разрыву ткани. Повреждения этого типа необратимы и потенциально более опасны, чем тепловой ожог, поскольку они обычно захватывают большую площадь сетчатки и возможны при меньшей энергии. Поэтому длительность облучения глаз, максимально допустимая стандартами безопасности, значительно меньше для короткоимпульсных лазеров.

Инфракрасный-B и инфракрасный-C

(1400 — 1 миллион нанометров): На длинах волн более 1400 нанометров роговица поглощает энергию благодаря содержащейся в ней воде и естественной слезной пленке. Это приводит к нагреванию и, как следствие, к денатурации белка у поверхности. Глубина проникновения растет с увеличением длины волны, а тепловое воздействие на белки хрусталика (критическая температура немногим больше нормальной температуры тела) может привести к его помутнению, называемому инфракрасной катарактой. В дополнение к образованию катаракты и ожога роговицы, инфракрасное излучение может привести к воспалению водянистой среды, при котором прозрачность водянистой среды передней камеры ухудшается из-за разрыва кровеносных сосудов.

В общем, лазерное излучение в ультрафиолетовом и далеком инфракрасном диапазонах поглощается роговицей и хрусталиком, и его воздействие зависит от интенсивности и длительности облучения. При большой интенсивности сразу возникает тепловой ожог, а слабое излучение может стать причиной дальнейшего развития катаракты. Конъюнктива тоже может пострадать при лазерном

облучении, хотя поражение конъюнктивы и роговицы обычно происходит при облучении светом большей мощности, чем поражение сетчатки. В результате, поскольку повреждения сетчатки приводят к более тяжелым немедленным последствиям, опасность повреждения роговицы учитывается лишь при работе с лазерами длин волн, не достигающих сетчатки (по существу, дальняя ИК-область и УФ).

Типы поражения кожи

Поражения кожи, вызванные воздействием лазерного излучения, обычно считаются менее важными по сравнению с возможностью поражения глаз; хотя с распространением лазерных систем высокой мощности, особенно ультрафиолетовых излучателей, незащищенная кожа может подвергаться чрезвычайно опасному облучению от не полностью закрытых систем. Являясь органом тела с самой большой поверхностью, кожа больше всего подвержена риску облучения, но, в то же самое время, она эффективно защищает от него большинство остальных органов (за исключением глаз). Важно иметь в виду, что многие лазеры предназначены для обработки материалов (например, резание или сверление), которые гораздо прочнее кожи, хотя такие лазеры обычно и не используются в микроскопии. Руки и голова — это те части тела, которые чаще всего подвергаются случайному облучению лазерным пучком при юстировке и других действиях с аппаратурой; и пучок достаточной интенсивности может вызвать тепловые ожоги, повреждения фотохимической и ударной (акустической) природы.

Наибольшие повреждения кожи возникают из-за высокой плотности излучения лазерного пучка, а его длина волны в некоторой степени определяет глубину проникновения и характер повреждения. Наибольшей глубиной проникновения обладают волны в диапазоне 300–3000 нанометров, достигая максимума в инфракрасном A спектре на длине 1000 нанометров. При работе с потенциально опасными для кожи лазерами должны быть приняты соответствующие меры предосторожности, а именно: необходимо носить одежду с длинными рукавами и перчатки из огнестойкого материала. Во многих случаях процедуры юстировки можно выполнить, используя лазеры меньшей мощности, чем требуется при проведении самих исследований.

Поражения электрическим током

Опасности поражения электрическим током, связанные с электрическими компонентами лазеров и источниками питания, одинаковы почти для всех типов лазеров и не требуют спецификации по категориям или конфигурациям лазеров. Все лазеры основных функциональных категорий (газовые, твердотельные, лазеры на красителях, полупроводниковые), за исключением полупроводниковых, требуют высокого напряжения и, часто, использования большого тока для генерации лазерного луча. Различие заключается только в месте приложения высокого напряжения — непосредственно к резонатору самого лазера, к лампе накачки или лазеру накачки, поскольку, тем не менее, оно никогда не присутствует в самой системе. Особенно опасными являются лазеры, сохраняющие высокое напряжение в конденсаторах или других компонентах уже после выключения. Это особенно характерно для импульсных лазеров, о чем нельзя забывать, когда по каким-либо причинам необходимо снять их корпус. Всегда надо помнить, что существует опасность удара током, если в точности не установлено обратное. Многим лазерам высокое напряжение необходимо только до начала генерации излучения, после чего они работают при обычном для бытовых устройств напряжении. Но это не может быть оправданием несоблюдения правил безопасности при работе с любым электрическим устройством.

Особые требования и меры безопасности при работе с лазерами микроскопов

Лазеры и сами измерительные приборы, включающие лазеры, должны отвечать определенным требованиям безопасности. В зависимости от класса безопасности лазер должен иметь либо прерыватель пучка, либо специальный механизм блокировки излучения ключом, либо другое устройство безопасности. При входе во все помещения, где находятся лазеры, представляющие потенциальную опасность, а также в тех местах рядом с лазером, где существует особенная опасность поражения, должны висеть предупреждающие знаки (примеры приведены на рисунке 4). Для устройств, лазерный луч которых не может попасть в глаза пользователю, дополнительных мер предосторожности не требуется.

Многие лабораторные лазеры имеют те же свойства, что и лазеры высокой мощности, используемые в промышленных целях, поэтому для их применения может потребоваться специальное экранирование для защиты оператора от лазерного пучка. Выходные длины волн для большинства обычно используемых лазеров приведены в таблице 2. В тех рабочих ситуациях, когда возможность попадания лазерного луча в глаза не может быть абсолютно исключена, необходимо надевать защитные очки. Важно, чтобы эти очки задерживали свет на длине волны лазера, но пропускали остальной свет, чтобы обеспечить соответствующую видимость. Ключевым моментом является соответствие фильтрации используемому лазеру, поскольку универсальных защитных очков для всех лазеров или для всех длин волн многоволнового лазера не существует. Поскольку лазерный луч может попасть в глаза под любым углом, прямым либо отраженным от поверхностей, очки должны блокировать все возможные направления.

Рис. 4. Знаки, предупреждающие о лазерной опасности

Титан-сапфировый лазер (обычно обозначаемый Ti: сапфировый лазер) является универсальным примером перестраиваемого твердотельного лазера на колебательных переходах. Лазерам этого типа необходима оптическая накачка встроенной лампой накачки или другим лазером, внутренним или внешним по отношению к основному. Из-за разнообразия конфигураций Ti: сапфировых лазерных систем невозможно дать для них единый набор правил безопасности. Эти лазеры могут работать как в непрерывном, так и импульсном режиме, и в зависимости от системы оптической накачки, требования электробезопасности, предъявляемые к ним, могут значительно изменяться. Перенастраиваемая длина волны титан-сапфировых лазеров обычно находится в диапазоне от 700 до 1000 нанометров, поэтому при работе с ними необходимо соблюдать стандартные меры безопасности для лазеров, работающих на длине волны, достигающей сетчатки (меньше 1400 нанометров). Поскольку длина волны излучения меняется, необходимо использовать защитные очки. Пользователь должен быть уверен, что любое блокирующее лазерный пучок устройство соответствует длине(ам) излучаемой волны. Один короткий мощный импульс при работе в импульсном режиме может нанести глазу непоправимый вред, поэтому необходимо принять все меры предосторожности, чтобы попадание луча на любом направлении, как прямом, так и периферийном.

Важно иметь в виду, что в некоторых конфигурациях Ti: сапфирового лазера рассеянный свет от лазера накачки может быть более опасным, чем луч основного лазера, и если есть хоть какая-нибудь вероятность попадания этого света в рабочую область, должна быть использована защита для глаз на соответствующей длине волны. Если лазер накачки стоит отдельно от вибронного лазера, могут потребоваться дополнительные меры предосторожности, чтобы исключить возможность излучения рассеянного света при сопряжении двух лазеров. В системах с накачкой импульсными лампами высокое напряжение, подаваемое на них, может сохраняться в качестве конденсаторного заряда и после выключения системы. Это необходимо помнить, чтобы избежать электрического удара при проведении технического обслуживания. Ближнее инфракрасное излучение, испускаемое лазерами этого типа, может быть особенно опасно, так как, хотя луч и невидим, или едва заметен на границе диапазона около 700 нанометров, на сетчатке фокусируется большое количество инфракрасного света.

Легирование хромом различных твердотельных материалов оказалось весьма перспективным для развития новых перенастраиваемых вибронных лазеров (на колебательных переходах). Поскольку они становятся все более распространенными, необходимо учитывать меры безопасности, специфичные для каждого типа этих лазеров. Легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF) показал себя многообещающей средой лазеров с диодной накачкой, и в некоторых приложениях мультифотонной микроскопии используется вместо Ti: сапфировых лазеров. На перенастраиваемых длинах волн инфракрасного диапазона меры предосторожности аналогичны тем, которые применимы при использовании Ti: сапфирового лазера. Однако, поскольку лазеры, легированные хромом, появились относительно недавно, нужно иметь в виду, что защитные фильтры и очки могут не подходить для длин волн этих лазеров.

Аргоновый ионный, и менее распространенный криптоновый ионный лазеры, излучают на многих длинах волн и широко применяются в оптических исследованиях и методиках, таких, например, как конфокальная микроскопия. Аргоновые лазеры обычно относят к классу IIIB и классу IV по стандартам безопасности ANSI, поэтому необходимо избегать прямого облучения лазерным пучком. Сине-зеленые лучи высококогерентного пучка аргонового ионного лазера могут достигать сетчатки, вызывая непоправимые повреждения. Необходимо использовать защитные очки с сильным поглощением на основных длинах волн. Криптоновые ионные лазеры излучают на длинах волн несколько больших, чем аргоновые лазеры, и их излучение обычно меньшей мощности, частично потому, что они излучают на многих длинах волн видимого спектра, которые широко распределены всему спектру. Широкое распределение излучаемых волн по спектру представляет проблему при создании защитных очков, поскольку, задерживая свет всего излучаемого диапазона, они поглощают почти весь видимый свет, что сделает их практически непригодными для использования. Поэтому при работе с криптоновыми ионными лазерами нужна особая осторожность во избежание попадания их мультичастотного излучения в глаза. Аргоново-криптоновые лазеры стали популярны во флуоресцентной микроскопии, при наблюдении образцов с несколькими флуорофорами, когда требуется стабильное излучение на нескольких длинах волн; попадание на сетчатку любого излучения из этого диапазона должно быть исключено. К тому же, эти газоразрядные лазеры излучают ультрафиолет, который хорошо поглощается хрусталиком; а поскольку воздействие непрерывного излучения в этом диапазоне изучено слабо, необходимо носить защитные очки, поглощающие ультрафиолет. Криптоновый ионный лазер излучает на нескольких длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне, и его излучение практически невидимо, что может представлять серьезную опасность для сетчатки, несмотря на видимую малую мощность светового пучка. Высокое напряжение, необходимое для запуска лазерного разряда, и относительно сильные токи, для генерации излучения в непрерывном режиме представляют опасность поражения электрическим током.

Гелий-неоновые лазеры широко применяются в таких устройствах, как сканеры для супермаркетов и оборудование съемки и контроля. Имея мощность в несколько милливатт или меньше, они представляют собой источник такой же опасности поражения, как и прямой солнечный свет. При случайном взгляде на маломощный луч He-Ne лазера, он не окажет вредного воздействия на глаз; но высококогерентное излучение этого лазера фокусируется на сетчатке в очень маленькое пятно, и поэтому при длительном облучении, может причинить непоправимый вред. Основной эмиссионной линией He-Ne лазера является длина волны 632 нанометров, но возможны и другие длины волн от зеленой до инфракрасной. Более мощные версии гелий-неонового лазера представляют большую опасность поражения и должны использоваться с большой осторожностью. Невозможно заранее предсказать, какой именно уровень излучения вызовет те или иные повреждения глаз. Основное правило безопасности при работе с лазерами этой категории — следует избегать любого попадания луча в глаза, кроме мгновенного взгляда на луч, а также соблюдать правила электробезопасности при работе с источниками питания под высоким напряжением.

Другим газоразрядным лазером является гелий-кадмиевый лазер, широко использующийся в сканирующих конфокальных микроскопах, и излучает на фиолетово-синей и ультрафиолетовой длинах волн со значениями 442 нанометров и 325 нанометров, соответственно. От излучения синей области больше всего страдает сетчатка, чувствительность которой в этом диапазоне даже при низких уровнях облученности выше, чем к более длинноволновому излучению видимой области. Поэтому даже при низкой мощности излучения He-Cd лазера необходимо строго выполнять процедуры по соблюдению мер безопасности. Только малая часть ультрафиолета с длиной волны 325 нанометров может попасть на сетчатку из-за его сильного поглощения хрусталиком, но длительное облучение хрусталика этим светом может привести к развитию катаракты. Соответствующие защитные очки помогают избежать повреждения. Последняя версия He-Cd лазера представляет в этом смысле более трудную задачу, поскольку этот лазер одновременно излучает красный, зеленый и синий свет. Любая попытка одновременной фильтрации всех трех длин волн приводит к блокировке такой большой части видимого спектра, что пользователь уже не может выполнять необходимые задания, работая в защитных очках. Если отфильтрованы только две линии эмиссии, остается риск облучения третьей, поэтому требуется строгое соблюдение мер безопасности, для предупреждения облучения.

Азотные лазеры излучают на длине волны 337,1 нанометров УФ области спектра и используются в качестве импульсных источников во множестве приложений в микроскопии и спектроскопии. Их часто применяют в определенных методиках регистрации изображений и визуализации для накачки молекул красителей, для возбуждения излучения на дополнительных линиях с большей длиной волны Азотные лазеры способны генерировать излучение высокой мощности с чрезвычайно высокой частотой следования импульсов. При попадании излучения в глаз может быть поражена роговица, и, хотя поглощение на хрусталике в некоторой степени защищает сетчатку от ближнего ультрафиолета, нельзя сказать определенно, справедливо ли это для высокомощного импульсного излучения. Самым безопасным подходом при работе с лазерами этого типа является полная защита глаз. К тому же, для их работы требуется высокое напряжение, поэтому контакт с любыми компонентами системы питания может осуществляться только при полном отсутствии заряда.

Наиболее распространенные твердотельные лазеры основаны на введении ионизированного неодима в качестве примесей в уровни основного кристалла (легирование). Материалом для основного кристалла для неодима чаще всего служит алюмоиттриевый гранат, АИГ (YAG), синтетический кристалл, являющийся основой Nd:YAG лазера. Лазеры с неодимом представлены в огромном количестве модификаций, с различными значениями мощности излучения, как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Их накачка может осуществляться полупроводниковым лазером, импульсной лампой, дуговой лампой, а их характеристики могут варьироваться очень значительно в зависимости от конструкции и области назначения. В силу их широко распространенности и определенной степени опасности, которую они в себе несут, от неодимовых лазеров пострадало, возможно, больше всего людей, чем от лазеров других категорий.

Алюмоиттриевые лазеры с неодимом (Nd:YAG) генерируют излучение ближней ИК области на длине волны 1064 нанометров, которое может вызвать серьезное повреждение сетчатки глаза, поскольку оно невидимо и велика вероятность поражения отраженными лучами. Большинство из этих лазеров, используемых в микроскопии, имеют диодную накачку и излучают короткие импульсы высокой интенсивности, опасные даже при попадании в глаза единственного отраженного импульса. Следовательно, любые направления возможного попадания света в глаза должны быть блокированы. В этом случае подходящим вариантом могут быть защитные очки, поглощающие инфракрасный, но пропускающие видимый свет, за исключением приложений, где используются гармоники более высокого порядка. Удвоение частоты производит вторую гармонику на 532 нанометрах (видимый зеленый свет), которая также проходит до сетчатки, и если эта эмиссионная линия используется, необходима дополнительная фильтрация для ослабления зеленого света. Утроение и учетверение частоты обычно применяется в Nd:YAG лазерах для получения третьей и четвертой гармоник на 355 и 266 нанометрах, что представляет различную опасность поражения. В этих случаях следует использовать защитные очки для фильтрации ультрафиолета, и, возможно, средства защиты кожи для предотвращения ожогов. Лазеры, генерирующие инфракрасное излучение мощностью несколько ватт, на второй, третьей и четвертой гармониках выдают сотни милливатт.

Таблица 2. Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров

Хотя излучение некоторых неодимовых лазеров с диодной накачкой имеет относительно невысокую мощность (особенно на гармониках высокого порядка и в непрерывном режиме генерации), в большинстве случаев, мощности их излучения достаточна для поражения, поэтому защита глаз необходима при работе с любым лазером этого типа. Трудность при работе с любым многочастотным лазером, состоит в том, что защитные очки должны перекрывать все опасные эмиссионные линии. При работе с гармониками высокого порядка мы не можем утверждать, что более длинноволновое излучение на основной частоте отсутствует, поэтому у многих коммерческих лазеров есть механизмы для удаления нежелательного излучения оптическим способом. У лазеров с неодимовым легированием, использующих для накачки лампу, вместо диода, существует дополнительная опасность поражения электрическим током из-за высокого напряжения в источниках питания.

Значительное число исследований проводится в поисках альтернативного основного кристалла для присадки в него неодима. По мере их появления в промышленных лазерах, отдельное внимание должно быть уделено безопасной работе с ними. Внедрение устройств, обеспечивающих безопасную работу с новыми лазерами, не всегда поспевает за появлением новых моделей лазеров. На сегодня наиболее распространенной альтернативой алюмоиттриевому гранату является литиево-иттриевый фторид (обозначаемый как YLF), и как импульсные, так и непрерывные Nd:YLF лазеры уже выпускаются серийно. Будучи во многих отношениях похожими на неодимовые:YAG лазеры, лазеры на Nd:YLF немного отличаются по длине основной волны (1047 нанометров), и это должно приниматься во внимание при создании защитных фильтров, как, например, в защитных очках, учитывая их поглощение света на основной гармонике и на гармониках более высокого порядка.

Полупроводниковые диодные лазеры представляют относительно новую технологию, распространяющуюся сейчас быстрыми темпами в разнообразных вариантах. Рабочие характеристики диодных лазеров зависят от множества факторов, включая электрические свойства полупроводника, технологию выращивания, использованную при его производстве и применяемые легирующие примеси. Длина волны излучения, испускаемого лазерной средой, зависит от ширины запрещенной (энергетической) зоны и других характеристик, определяемых структурой полупроводника. Продолжающееся развитие обещает расширение волнового диапазона промышленных диодных лазеров. Сегодня, полупроводниковые диодные лазеры с длинами волн больше 1100 нанометров используются, в основном, в волоконной оптике. Большинство лазеров этой категории основаны на активных слоях смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAsP) в различных пропорциях. В основном, они излучают на длине волны либо на 1300, либо на 1550 нанометров. Небольшой процент излучения на 1300 нанометров достигает сетчатки глаза, в то время как излучение длин волн, больших 1400 нанометров, представляет наибольшую опасность для роговицы. Серьезные повреждения глаза маловероятны, за исключением излучения достаточно большой мощности. Большинство диодных лазеров, излучающих на 1300 нанометров, маломощны и не представляют серьезной угрозы для глаз, если лазерный пучок не направлен прямо в глаза в течение длительного времени. Неколлимированные пучки излучения диодного лазера и пучки света, выходящие из оптоволокна, имеют большой угол расходимости, что обеспечивает дополнительную степень безопасности. Защитные очки должны использоваться при излучении высокой мощности, если не все излучение полностью направлено или содержится в оптоволокне. При юстировке оптических приборов с излучением в ближней ИК-области, кроме надетых защитных очков, задерживающих инфракрасный свет, можно использовать флуоресцентные экраны или другие тепловизионные устройства (ИК). Диодные лазеры работают на низком напряжении и при слабом токе, поэтому, обычно, не представляют электрической опасности.

Диодные лазеры, излучающие на номинальных длинах волн менее 1100 нанометров, основаны, главным образом, на смесях галлия и мышьяка, но постоянные разработки новых материалов и технологий расширяют диапазон их излучения до более и более коротких волн. С некоторыми исключениями, при работе с диодными лазерами требуются те же меры безопасности, что и с остальными, излучающими в том же диапазоне и на той же мощности. Как говорилось выше, фактором, понижающим, в некоторых случаях, потенциальную опасность диодных лазеров, является высокая расходимость их пучков, благодаря которой энергия пучка рассеивается во многих направления на коротком расстоянии от излучательной поверхности полупроводника. Тем не менее, если в приложении необходимо использовать дополнительную фокусирующую оптику, или какой-либо метод коллимации, этот фактор сводится на нет. Диодные лазеры, работающие на смеси индий-галлий-мышьяк-фосфор (InGaAlP), излучают на 635 нанометрах при милливаттной мощности, поэтому требования безопасности, предъявляемые при работе с ними, аналогичны предъявляемым к гелий-неоновым лазерам той же мощности. Некоторые варианты лазеров на аналогичных диодных смесях, излучают на 660 или 670 нанометрах, и хотя естественная реакция глаза обеспечивает некоторую защиту, глаз не так чувствителен к этим длинам волн, как к излучению на 635 нанометрах, а поэтому рекомендуется использование защитных очков. Необходимо обеспечить фильтрацию именно этих длин волн, так как защитные очки, изготовленные для поглощения больших длин волн, могут быть неэффективными на 660 и 670 нанометрах.

Различные смеси галлия, алюминия, мышьяка (GaAlAs) используются для изготовления диодных лазеров, излучающих в диапазоне от 750 до почти 900 нанометров. Из-за ограниченной чувствительности глаза к излучению на 750 нанометрах (возможно слабое восприятие красного света) и полного отсутствия чувствительности к более длинным волнам, эти лазеры представляют для глаз большую опасность поражения, чем работающие в видимом диапазоне. Диодные лазеры, работающие в этом диапазоне, могут генерировать излучение, значительно более высокой мощности (до нескольких ватт в диодной матрице), что может повредить глаз даже при коротком облучении. Невидимость этого пучка исключает естественную защитную реакцию глаза, поэтому необходимо носить защитные очки, особенно при работе с лазерами большой мощности. Лазеры на смеси индия-галлия-мышьяка (InGaAs) излучают даже на больших длинах волн, поэтому необходимы защитные очки, поглощающие 980-нанометровую линию, опять же для исключения возможности случайного попадания в глаза невидимого излучения.

В итоге, основными опасностями при работе с лазерами являются возможность повреждения глаз и поражения кожи при контакте с лазерным лучом, а также опасность электрического удара из-за высоких напряжений в лазерах. Следует принимать все меры предосторожности во избежание контакта (особенно глаз) с лазерным лучом, а когда это невозможно, необходимо носить защитные очки. При выборе защитных очков или других фильтров существенны четыре фактора: длина волны лазера, характер излучения (импульсный или непрерывный), тип лазерной среды (газ, полупроводник и т. д.) и выходная мощность лазера.

Существуют еще дополнительные, не связанные с излучением, опасности, некоторые из которых относятся к самой микроскопии, а другие встречаются довольно редко. Во многих промышленных приложениях лазеры используются для резки и сварки. Высокие температуры, возникающие при выполнении таких операций, могут способствовать появлению различных вредных дымов и испарений, которые обязательно должны удаляться из рабочих помещений. Это не имеет отношения к лазерам, используемым в оптической микроскопии, однако следует учитывать и соблюдать общие правила техники безопасности. В системах, накачиваемых импульсными лампами, существует опасность взрыва лампы при нагнетании в ней высокого давления. Корпус прибора должен быть сконструирован таким образом, чтобы удержать все осколки лампы, в случае такого взрыва. Для охлаждения лазеров (рубинового или с неодимовым легированием, например) могут использоваться криогенные газы, такие как жидкий азот или гелий. При попадании этих газов на кожу возможны ожоги. Если значительное количество газов выпускается в закрытом помещении, они, замещая собой находящийся в помещении воздух, могут вызвать недостаток кислорода. Электрическая безопасность, связанная с лазерным оборудованием, уже обсуждалась выше, но ее нельзя переоценить, так как корпуса приборов, предназначенные для защиты от поражения электрическим током, обычно снимаются при установке лазера, юстировке и техническом обслуживании. Некоторые лазерные системы (класса IV или 4, особенно) потенциально пожароопасны.

Защита глаз от лазеров при проведении медицинских процедур

Лазерное излучение представляет большую опасность для глаз как пациентов, так и врачей. В настоящее время любой современные лазер оборудован пилотным целеуказателем излучения и, на первый взгляд, риск попадания лазерного излучения в глаза минимален. Однако не стоит забывать, что при проведении процедур существует хоть и небольшое, но рассеянное излучение, и даже малые дозы его представляют угрозу для зрения. Кроме этого, лазерный луч может случайно отразится от какого-нибудь блестящего предмета в процедурном кабинете, что может привести к нежелательным бликам, которые опасны для зрения. Поэтому необходимость защиты глаз при лазерных процедурах как для врача, так и для пациента не подлежит сомнению.

Классификация лазеров по мощности

Одним из самых важных параметром лазерного излучения, который необходимо учитывать при защите лазера, является мощность лазера. По данному параметру лазеры классифицируются на 4 группы.

1. 1 класс лазеров. Лазеры данного типа являются самыми слабомощными и по сути не представляют никакой опасности ни для кожи ни для глаз.
2. 2 класс лазеров. Данные лазеры также характеризуются низкой мощностью, т.к. по классификации их излучение не превышает 1мВт.Данный тип лазеров относится к условно опасным для зрения. Их прямое оптическое излучение не представляет опасности для зрения, однако при длительной направленности луча на органы зрения возникает рефлекторное моргание, которое рассматривается как естественная физиологическая защита глаз.
3. 3 класс лазеров. Данные лазерные устройства являются умеренно опасными. Рассеянное излучение данных лазеров, как и их блики не представляют опасности, но прямой луч может привести к серьезным повреждениям роговицы.
4. 4 класс лазеров. Все медицинские лазерные аппараты за исключением маломощных терапевтических лазеров относятся именно к этому классу. Лазерный луч устройств четвертого класса представляет большую опасность для зрения, т.к. даже рассеянное излучение данных лазеров может привезти к повреждениям хрусталика или роговицы.

Защитные очки для работы с лазером

Энергия лазерного излучения при попадании в глаз может привести к повреждениям сетчатки либо роговицы. Кроме мощности лазерного излучения имеют значения длительность импульса лазерного луча и его длина волны. Чем меньше длительность импульса, тем больше пиковая мощность и тем, соответственно, опаснее данное излучение. Лазеры, которые излучают в синем или ультрафиолетовом диапазоне, в первую очередь, представляют наибольшую опасность для рецепторов сетчатки и хрусталика. В свою очередь, инфракрасные лучи проникают глубже и т.к. они невидимые для зрения, но не вызывают рефлекторного моргания и способны серьезно повредить сетчатку.
Для защиты глаз, как врача, так и пациента, во время процедуры применяются защитные очки, которые являются фильтрами излучения на определенной длине волны. Очень важно использовать очки, которые защищают глаза именно от той длины волны, на которой работает врач. К примеру, если врач проводит лазерную эпиляцию, используя александритовый лазер, то очки врача и пациента не должны пропускать лазерное излучение с длиной волны 755нм. Второй важной характеристикой лазерных очков является степень поглощения лазерного луча фильтром очков. Как правило, информация о степени защиты и длине волны указаны непосредственно на фильтрах очков. Если на Ваших очках написано, например, 650-800нм OD6+, то это означает, что лазерные очки ослабляют излучение в миллион раз(10 в 6-ой степени) в диапазоне 650-800нм. Кроме этого, требования к очкам врача являются более строгими чем к очкам пациента, т.к. очки лечащего врача должны не только надежно защищать глаза от лазерного луча, но и при этом хорошо пропускать излучение пилотного лазера, чтобы врач мог хорошо видеть зону обработки на коже пациента во время операции. Специалисты компании «ЛазМедТек» настоятельно рекомендуют использовать оригинальные очки, поставляемые с сертифицированным лазерным оборудованием.

Влияние лазерного излучения с длиной волны 0,97 и 1,94 мкм на регенерацию слизистой оболочки рта в эксперименте

С. В. Тарасенко, А. Б. Шехтер, В. П. Минаев, Е. А. Морозова, А. М. Гуторова, А. Н. Журавлев // журнал Фотоника, том 13 № 1 2019, с 108-116

В статье представлены данные об особенностях процессов регенерации ран слизистой оболочки рта лабораторных животных после воздействия излучения лазерных аппаратов с длиной волны излучения 1,94 мкм и 0,97 мкм при различных мощностях излучения. Известно, что лазерное излучение, воздействуя на слизистую оболочку ротовой полости, вызывает коагуляционный некроз и последующую воспалительную реакцию ткани с деструкцией эпителия, слизистой оболочки и частично мышечной ткани. Установлено, что регенерация тканей и заживление раневого дефекта замедляется при увеличении мощности.

ВВЕДЕНИЕ
Широкое распространение лазеров в хирургической стоматологии обусловлено следующими позитивными свойствами лазерного излучения: асептика тканей при рассечении, надежный гемостаз и лимфостаз, выраженный обезболивающий, абластический эффекты, противовоспалительное действие за счет снижения проницаемости сосудистой стенки, стимуляция обменных процессов и процессов регенерации, повышение содержания тканевого кислорода, что ускоряет регенерацию и предотвращает образование грубых рубцов, снижение вероятности послеоперационных осложнений [1, 2, 5, 7–11]. Однако имеются лишь отдельные сообщения, представляющие данные сравнительного анализа регенерации тканей при использовании различных лазерных систем [2]. Регенерация тканей – ​регулируемый, каскадный и многокомпонентный морфофункциональный процесс [3]. Обоснованный выбор малотравматичного инструмента альтерации для хирургического вмешательства позволяет создать оптимальные условия регенерации тканей, находящихся в зоне вмешательства. В клиническую практику активно внедряются хирургические лазерные технологии, которые благодаря точному регулированию мощности и других параметров создают минимальную зону термического повреждения. Перспективой оптимизации течения раневого процесса является регулирующее влияние на баланс между хирургической альтерацией, стимуляцией регенерации и контролем воспаления [1]. Репаративная регенерация является генетически детерминированным процессом, однако различные ткани и органы по степени развития рубца существенно отличаются друг от друга. Процесс заживления кожных ран существенно отличается от процесса заживления ран слизистой оболочки рта. Установление причин этого может привести к разработке новых методов, позволяющих контролировать ход процессов репаративной регенерации в различных частях тела, в том числе и полости рта [6, 12–14].

Появление отечественных портативных, надежных и недорогих аппаратов ЛСП-«ИРЭ-Полюс» на основе волоконных и полупроводниковых лазеров, генерирующих излучение с длинами волн 1,94 и 0,97 мкм, по разному действующих на мягкие биоткани, расширяет арсенал врачей, дает им новые возможности. При этом надо учитывать, что лазер с длиной волны λ=0,97 − диодный, а лазер с длиной волны λ=1,94 − волоконный. Излучение лазерных диодов с волоконным выводом – ​это излучение с помощью специальных сварных элементов, которое сводится в единое волокно, а из него через разъем подается в рабочий световод. Разработанные технологии позволяют ввести в устройство участок активированного волокна с волоконными аналогами зеркал, образующими волоконный лазер. При этом появляется возможность получения лазерного излучения с другими длинами волн. Фактически такое устройство представляет собой моток оптического волокна с приваренными к нему лазерными диодами и, благодаря свойствам волокна удерживать свет, не нуждается в юстировке и не боится внешних механических воздействий вплоть до величин, приводящих к разрушению волокна. Внутрь волокна нет доступа пыли и влаги [4].

Следовательно для реализации возможностей использования этих лазеров в клинике хирургической стоматологии необходимо изучение особенностей результатов такого воздействия, определение оптимальных режимов работы на слизистой оболочке рта.
Цель работы – ​в эксперименте изучить особенности репаративных процессов слизистой оболочки рта при альтерации лазерным излучением импульсно-периодических лазеров с длиной волны 0,97 мкм и 1,94 мкм различной мощности.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальное исследование выполнено на кафедре хирургической стоматологии Института стоматологии ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И. М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский университет). Исследование являлось одноцентровым, проспективным – ​группы изучения формировались до начала эксперимента, рандомизированным (случайные выборки) и сравнительным.

В эксперименте использовались 18 кроликов породы Шиншила, самцы массой тела 3,5–4,0 кг, средняя масса 3,7 ± 0,2 кг, в возрасте 6 месяцев, содержавшихся в условиях вивария, согласно правилам лабораторной практики при проведении доклинических исследований в РФ (ГОСТ Р50258–92, ГОСТ 351000.3–96 и 51000.4–96).
Изучены биоптаты слизистой оболочки рта при использовании импульсно-периодических лазеров с длиной волны 0,97 мкм и 1,94 мкм с мощностью излучения 1,2 Вт, 1,5 Вт и 1,8 Вт.

Перед оперативным вмешательством животных взвешивали и рассчитывали количество вводимых препаратов. Выполняли премедикацию и наркоз комбинацией препаратов «Ронитар» (3 мг / кг массы животного) и «Золетил» (5 мг / кг массы животного), адекватный оперативному вмешательству. Препараты применяли разово, внутримышечно. В условиях операционной, с соблюдением правил асептики и антисептики животным формировали дефект на слизистой оболочке щеки лазерными излучениями с длинами волн 1,94 и 0,97 мкм в импульсно-периодическом режиме работы при длительности импульса 400 мс, длительность паузы 500 мс. Световод лазера располагали на расстоянии 1 мм от поверхности слизистой оболочки, время воздействия составляло 5 секунд. Контролем служила слизистая оболочка правой (интактной) щеки.

Все животные были распределены на 6 групп исследования. У животных 1-й группы раневой дефект был сформирован излучением лазера ЛСП – ​»ИРЭ-Полюс (1,94 мкм / 5 Вт)» при длительности импульса 400 мс, паузы 500 мс и мощности излучения 1,2 Вт. У животных 2-й группы раневой дефект был сформирован таким же лазерным излучением, но с увеличенной до 1,5 Вт мощностью. У животных 3-й группы при формировании раневого дефекта мощность увеличена до 1,8 Вт. В 4-й группе раневой дефект животным формировали излучением лазера ЛСП – ​»ИРЭ-Полюс (0,97 мкм / 10Вт)» при длительности импульса 400 мс, 500 мс и мощности излучения 1,2 Вт. У животных 5-й группы раневой дефект был сформирован таким же лазерным излучением, но мощностью 1,5 Вт. У животных 6-й группы при формировании раневого дефекта мощность увеличена до 1,8 Вт.

Животных выводили из эксперимента путем избыточного введения гексанала на 3-и, 7-е, 14-е сутки после операции. Макропрепараты слизистой оболочки отправляли на гистологическое исследование.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Установлено, что при воздействии на слизистую оболочку лазерным излучением с длиной волны 1,94 мкм, мощностью 1,2 Вт на 3 сутки, у всех животных в зоне воздействия имеется раневой дефект с разрушенным эпителием (рис. 1). Поверхность дефекта покрыта фибрином, отмечается нейтрофильная инфильтрация с примесью макрофагов и лимфоцитов. Сосуды полнокровны, имеются единичные диапедезные кровоизлияния. На поверхности раны образуется фибринозно-лейкоцитарный слой, под ним частично некротизированая мышечная оболочка с нейтрофильно-эозинофильной инфильтрацией. При воздействии на слизистую оболочку лазером длиной волны 0,97 мкм мощностью 1,2 Вт на 3-и сутки в области альтерации также наблюдаются деструкция эпителия, участки коагуляционного некроза в слизистой оболочке и мышечной ткани, но в меньшей степени (рис. 2).

При воздействии на слизистую оболочку лазером длиной волны 1,94 мкм и мощностью 1,5 Вт на третьи сутки в области операции эпителий отсутствует, обнаруживается очаг коагуляционного некроза мышечной ткани (рис. 3). Строма между некротизированными мышечными волокнами инфильтрирована нейтрофилами и эозинофилами, сосуды расширены и полнокровны. При воздействии лазером длиной волны 0,97 мкм и мощностью 1,5 Вт в области лазерного воздействия эпителий подвергается деструкции, некротические и воспалительные изменения выражены слабее, чем у животных при использовании лазера длиной волны 1,94 мкм (рис. 4).

На третьи сутки после альтерации слизистой оболочки лазерным излучением с длиной волны 1,94 мкм и мощностью 1,8 Вт очаг коагуляционного некроза мышечной ткани по размеру больше, чем при мощности лазера 1,5 Вт. Вокруг очага некроза отмечается тромбоз сосудов, нейтрофильная инфильтрация, с примесью лимфоцитов и макрофагов и начинающейся пролиферацией фибробластов (рис. 5). При увеличении мощности лазера длиной волны 0,97 мкм до 1,8 Вт у всех животных в области альтерации отмечаются крупные участки некроза мышечной ткани с выраженной нейтрофильной инфильтрацией (рис. 6).

На 7-е сутки при использовании лазера длиной волны 1,94 мкм, мощностью 1,2 Вт дефект эпителизируется только с краев, в фиброзно-рубцовой ткани сохраняется нейтрофильно-эозинофильная инфильтрация. При использовании лазера длиной волны 0,97 мкм и мощностью 1,2 Вт на 7-е сутки в отличие от группы животных, в опыте с которыми был использован лазер длиной волны 1,94 мкм, у всех животных наблюдается эпителизация в области воздействия, эпителий утолщен по сравнению с интактным (рис. 7). При использовании лазера длиной волны 1,94 мкм, мощностью 1,2 Вт аналогичную картину наблюдали на 14-е сутки, когда раневой дефект полностью эпителизирован (рис. 8).
При воздействии на слизистую оболочку лазером длиной волны 1,94 мкм, мощностью 1,5 Вт на 7-е сутки зона некроза уменьшается и замещается грануляционной тканью, состоящей из тяжей пролиферирующих фибробластов, коллагеновых волокон и многочисленных сосудов. Сохраняется умеренная нейтрофильно-эозинофильная инфильтрация. При мощности лазера 1,5 Вт с длиной волны 0,97 мкм на 7-е сутки у всех животных дефекты эпителизированы, под эпителием образуется фиброзно-рубцовая ткань.
На 7-е сутки при использовании лазера с длиной волны 1,94 мкм, мощностью 1,8 Вт сохраняются очаги коагуляционного некроза подлежащих мышц. Подлежащая мышечная пластинка почти полностью замещена рубцово-фиброзной тканью, частично покрытой регенерирующим эпителием. Фиброзная ткань состоит из коллагеновых волокон и фибробластов.

На 14 сутки при мощности воздействия лазера длиной волны 1,94 мкм 1,5 Вт у всех животных полная эпителизация раневой поверхности, под ней располагается фиброзно-рубцовая ткань, сохраняются очаги воспалительной инфильтрации.
При мощности воздействия лазера длиной волны 1,94 мкм 1,8 Вт на 14 сутки эпителизация дефекта завершилась. Под эпителием крупное поле рубцовой ткани с воспалительной инфильтрацией.

На 14 сутки, при воздействии на слизистую оболочку лазером с длиной волны 0,97 мкм, мощностью 1,2 Вт, эпителий зрелый и дифференцированный. При использовании мощности излучения 1,5 Вт лазера длиной волны 0,97 мкм у всех животных под эпителизированым дефектом слой соединительной ткани с умеренной лимфо-макрофагальной инфильтрацией, пролиферацией фибробластов и продольным расположением коллагеновых волокон. При увеличении мощности до 1,8 Вт у всех животных лазерные дефекты эпителизированы, эпителий зрелый хорошо дифференцирован. Под эпителием рубцовая ткань без заметной воспалительной инфильтрации, отчетливо видна резорбция мышечных волокон.

С целью установления различий в динамике раневого процесса мягких тканей полости рта была изучена глубина термического повреждения тканей и протяженность зоны коагуляционного некроза. Установлено, что средняя глубина коагуляционного некроза на 3 сутки при использовании лазера с длиной волны 0,97 мкм варьировала от 623,5 ± 79,3 мкм до 995,7 ± 55,7 мкм при мощности от 1,2 до 1,8 Вт, при использовании лазера с длиной волны 1,94 мкм мощностью от 1,2 до 1,8 Вт средняя глубина коагуляционного некроза на 3 сутки составила от 645,3 ± 28,9 мкм до 1 035 ± 80,2 мкм. На 3 сутки наименьшая средняя глубина коагуляционного некроза отмечена при мощности воздействия 1,2 Вт лазером с длиной волны 0,97 мкм – ​623,5 ± 79,3 мкм, наибольшая при мощности воздействия 1,8 Вт лазером с длиной волны 1,94 мкм – ​1 035 ± 80,2 мкм. При воздействии на слизистую оболочку полости рта кролика лазером «ИРЭ-Полюс (0,97 мкм / 10Вт)» мощностью 1,5 Вт и 1,8 Вт по сравнению с «ИРЭ-Полюс (1,94 мкм / 5 Вт)» отмечены достоверные различия глубины коагуляционного некроза раны на 3 сутки (766,3 ± 67.8 мкм и 851,8 ± 41,6 мкм) и (995,7 ± 55,7 мкм и 1 035 ± 80,2 мкм) соответственно, при мощности излучения 1,2 Вт различия были не достоверными (623,5 ± 79,3 мкм и 645,33 ± 28,9 мкм) (табл. 1).

Из данных таблицы следует, что глубина коагуляционного некроза варьировалась в зависимости от мощности лазерного излучения как при воздействии лазера λ = 0,97 мкм, так и при использовании лазера λ = 1,94 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, после лазерной альтерации слизистой оболочки экспериментальных животных происходит регенерация тканей. Воздействие лазерным излучением на слизистую оболочку рта вызывает коагуляционный некроз и последующую воспалительную реакцию ткани с деструкцией эпителия, слизистой оболочки и частично мышечной ткани. Интенсивность этих процессов прямо пропорциональна мощности лазерного излучения. Регенерация тканей и заживление раневого дефекта замедляется при увеличении мощности. Лазерное излучение с длиной волны 0,97 мкм вызывает изменение тканей меньшей интенсивности, чем излучение длиной волны 1,94 мкм. Скорость процессов регенерации при этом также выше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Барер Г. М., Зуйков Ю. А., Воложин А. И. Сравнительная оценка репаративного процесса костной ткани после воздействия лазера Waterlaser Millenium разной мощности и механической травмы. Cathedra. 2007;6:3:50–55.
Barer G. M., Zujkov YU. A., Volozhin A. I. Sravnitel’naya ocenka reparativnogo processa kostnoj tkani posle vozdejstviya lazera Waterlaser Millenium raznoj moshchnosti i mekhanicheskoj travmy. Cathedra. 2007;6:3:50–55.
2. Воложин А. И., Топольницкий О. З., Шехтер А. Б., Дорофеева Е. И., Зуйков Ю. А., Тарасенко С. В. Особенности заживления слизистой оболочки полости рта при нанесении раны скальпелем, лазером и радионожом (экспериментальное исследование). Российская стоматология. 2011; 4(1): 12–18.
Volozhin A. I., Topol’nickij O. Z., SHekhter A. B., Dorofeeva E. I., Zujkov YU. A., Tarasenko S. V. Osobennosti zazhivleniya slizistoj obolochki polosti rta pri nanesenii rany skal’pelem, lazerom i radionozhom (ehksperimental’noe issledovanie). Rossijskaya stomatologiya. 2011; 4(1): 12–18.
3. Кузин М. И., Костюченок Б. М. Раны и раневая инфекция / Руководство для врачей. – 2-е издание. М: Медицина, 1990. 592.
Kuzin M. I., Kostyuchenok B. M. Rany i ranevaya infekciya / Rukovodstvo dlya vrachej. – 2-e izdanie. M.: Medicina, 1990. 592.
4. А. А. Кулаков, Л. А. Григорьянц, А. С. Каспаров Диодный лазерный скальпель как современный инструмент хирурга стоматолога. Стоматолог-практик. 2009; 4 (178): 4–7.
A. A. Kulakov, L. A. Grigor’yanc, A. S. Kasparov Diodnyj lazernyj skal’pel’ kak sovremennyj instrument hirurga stomatologa. Stomatolog-praktik. 2009; 4 (178): 4–7.
5. Махалдиани З. Б., Серов Р. А., Козлов В. В., Хугаев Г. А., Махалдиани Б. З. Результаты морфологического исследования трансмиокардиальной реваскуляризации спомощью полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения в инфракрасном диапазоне 1,56 и 1,94 мкм в эксперименте. Бюллетень НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН Сердечно-сосудистые заболевания. 2014:15(2): 36–43.
Mahaldiani Z. B., Serov R. A., Kozlov V. V., Hugaev G. A., Mahaldiani B. Z. Rezul’taty morfologicheskogo issledovaniya transmiokardial’noj revaskulyarizacii spomoshch’yu poluprovodnikovyh lazerov s dlinoj volny izlucheniya v infrakrasnom diapazone 1,56 i 1,94 µm v ehksperimente. Byulleten’ NCSSKH im. A. N. Bakuleva RAMN Serdechno-sosudistye zabolevaniya. 2014:15(2): 36–43.
6. Рагимов Ч. Р., Гасымов Э. К., Кулиев Т. Р., Рзаев Ф. Г. Сравнительная характеристика заживления хирургических ран слизистой оболочки полости рта и кожи домашних свиней. Светооптическое и электронномикроскопическое исследование. Раны и раневые инфекции. Журнал им. проф. Б. М. Костюченка. 2015; 2 (4): 8–13.
Ragimov CH. R., Gasymov EH.K., Kuliev T. R., Rzaev F. G. Sravnitel’naya harakteristika zazhivleniya hirurgicheskih ran slizistoj obolochki polosti rta i kozhi domashnih svinej. Svetoopticheskoe i ehlektronnomikroskopicheskoe issledovanie. Rany i ranevye infekcii. ZHurnal im. prof. B. M. Kostyuchenka. 2015; 2 (4): 8–13.
7. Рисованная О. Н., Рисованный С. И. Преимущества использования лазерных технологий при проведении френулэктомии. Продолжение. Dental Market. 2007; 1: 34–36.
Risovannaya O. N., Risovannyj S. I. Preimushchestva ispol’zovaniya lazernyh tekhnologij pri provedenii frenulehktomii. Prodolzhenie. Dental Market. 2007; 1: 34–36.
8. Тарасенко С. В., Лазарихина Н. М., Тарасенко И. В. Клиническая эффективность хирургических лазерных технологий в пародонтологии. Cathedra. 2007; 6(3): 60–63.
Tarasenko S. V., Lazarihina N. M., Tarasenko I. V. Klinicheskaya ehffektivnost’ hirurgicheskih lazernyh tekhnologij v parodontologii. Cathedra. 2007; 6(3): 60–63.
9. Тарасенко С. В., Морозова Е. А. Применение диодного лазера в хирургической стоматологии. Лечение и профилактика. 2016; 2 (18): 98–103.
Tarasenko S. V., Morozova E. A. Primenenie diodnogo lazera v hirurgicheskoj stomatologii. Lechenie i profilaktika. 2016; 2 (18): 98–103.
10. Толстых А. В. Применение хирургических лазерных технологий для лечения одонтогенных кист челюстей. Кафедра. 2008; 7 (3): 38–41.
Tolstyh A. V. Primenenie hirurgicheskih lazernyh tekhnologij dlya lecheniya odontogennyh kist chelyustej. Kafedra. 2008; 7 (3): 38–41.
11. Хурхуров Б. Р., Савченко З. И., Тарсенко И. В., Евстифеева О. В., Тарасенко С. В. Влияние лазерного излучения на состояние местного иммунитета в полости рта у больных с гнойно-воспалительными заболеваниями челюстно-лицевой области. Лазерная медицина. 2013; 17(2): 11–15.
Hurhurov B. R., Savchenko Z. I., Tarsenko I. V., Evstifeeva O. V., Tarasenko S. V. Vliyanie lazernogo izlucheniya na sostoyanie mestnogo immuniteta v polosti rta u bol’nyh s gnojno-vospalitel’nymi zabolevaniyami chelyustno-licevoj oblasti. Lazernaya medicina. 2013; 17(2): 11–15.
12. Mak K., Manji A., Gallant-Behm C. et al. Scarless healing of oral mucosa is characterized by faster resolution of inflammation and control of myofibroblast action compared to skin wounds in the red Duroc pig model. Dermatol. Sci. 2009; 56 (3): 168–80.
13. Saygun I., Karacay S., Serdar M. et al. Effects of laser irradiation on the release of basic fibroblast growth factor (bFGF), insulin like growth factorr1 (IGFF1), and receptor of IGFF1 (IGFBP3) from gingival fibroblasts. Lasers in medical science. 2008; 23(2): 211–215.
14. Walraven M., Gouverneur M., Middelkoop E. et al. Altered TGF-β signaling in fetal fibroblasts: what is known about the underlying mechanisms? Wound Repair Regen 2014;22(1):3–13.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/7/article_7277_410.pdf

Поделиться ссылкой:

• Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
• Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Google+ (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)

Похожие записи

Влияние лазерного излучения на прирост биомассы микроводоросли Chlorella Sorokiniana

Please use this identifier to cite or link to this item:
http://earchive.tpu.ru/handle/11683/46759

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Биологические эффекты лазерного излучения

Последнее обновление: 27 октября 2020 г., 14:13:38 PDT

Изучите биологические эффекты лазерного излучения, если вы работаете с лазерами или лазерными системами или рядом с ними.

Биологические эффекты неионизирующего лазерного излучения включают действие видимого, ультрафиолетового (УФ) или инфракрасного излучения на ткани. Как правило, лазеры в УФ-области вызывают фотохимические реакции; лазеры в инфракрасной области вызывают тепловые эффекты.

Повреждение может произойти, когда лазерный луч встречает ткань , , в зависимости от комбинированных характеристик как падающего лазерного луча, так и свойств ткани.

Ключевые факторы:

• Длина волны лазера, плотность мощности и длительность импульса
• Склонность тканей отражать, пропускать или выборочно поглощать лазерное излучение

Лазерное воздействие на глаз

Незащищенный человеческий глаз чрезвычайно чувствителен к лазерному излучению и может быть необратимо поврежден прямым или отраженным лучом.

Из-за характеристик ткани площадь глаза, поврежденная лазерной энергией, зависит от длины волны падающего лазерного луча.Чаще всего повреждаются сетчатка, роговица и хрусталик.

• Сетчатка: Лазерный свет в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного диапазона может вызвать повреждение сетчатки. Эти длины волн также известны как «опасная для сетчатки область».

  • Видимый и ближний инфракрасный (400–1400 нанометров) лазерный свет представляет серьезную опасность для сетчатки. Инфракрасное излучение A передается роговицей на хрусталик глаза, который фокусирует его на сетчатке, концентрируя излучение лазера до 100 000 раз.Поскольку тканевые структуры сетчатки не могут подвергнуться восстановлению, повреждения, вызванные фокусировкой видимого или ближнего инфракрасного света на сетчатке, могут быть постоянными. Наиболее критичной областью сетчатки является центральная часть, макула и ямка.

• Роговица и линза: Лазерный свет в ультрафиолетовом или дальнем инфракрасном диапазоне может вызвать повреждение роговицы или хрусталика.

  • Ультрафиолет (от 180 до 400 нм): фотохимическое повреждение вызвано поглощением ультрафиолетового света селективными чувствительными частями клеток роговицы.Многие белки и другие молекулы (ДНК, РНК) поглощают УФ-свет и «денатурируются» под действием излучения. Чрезмерное воздействие ультрафиолета может вызвать светобоязнь, покраснение глаз, слезотечение, выделения, помутнение стромы и т. Д. Эти побочные эффекты обычно проявляются через несколько часов, но проявляются в течение 24 часов. Линза в основном поглощает УФА (315-400 нм). Линза особенно чувствительна к длине волны 300 нм. Эксимерные лазеры XeCl, работающие на длине волны 308 нм, могут вызвать катаракту при остром воздействии.
  • Дальний инфракрасный диапазон (от 1400 нм до 1 мм; CO2-лазеры, 10600 нм): термическое повреждение вызвано нагреванием слез и тканевой воды роговицы инфракрасным светом.Чрезмерное воздействие инфракрасного излучения приводит к потере прозрачности роговицы или неровностям поверхности.

Лазерное воздействие на кожу

Термическое (ожоговое) повреждение является наиболее частой причиной лазерного повреждения кожи. Термическое повреждение обычно связано с лазерами, работающими при времени экспозиции более 10 микросекунд и в диапазоне длин волн от ближнего ультрафиолетового до дальнего инфракрасного.

• Основные тепловые эффекты лазерного воздействия зависят от:
  • Коэффициенты поглощения и рассеяния тканей на длине волны лазера
  • Облучение или облучение лазерным лучом
  • Продолжительность экспонирования и характеристики повторения импульсов, если применимо
  • Объем местного сосудистого кровотока
  • Размер облучаемой площади

• Повреждение тканей также может быть вызвано термическими акустическими волнами после воздействия субмикросекундного лазерного излучения.Повторяющиеся импульсные или сканирующие лазеры включают тепловой процесс, в котором эффекты импульсов складываются.

Дополнительная информация

Лазерные опасности — общие | Здоровье и безопасность окружающей среды

Неправильно используемые лазерные устройства потенциально опасны. Последствия могут варьироваться от легких ожогов кожи до необратимых повреждений кожи и глаз. Биологический ущерб, наносимый лазером, вызывается тепловыми, акустическими и фотохимическими процессами.

Тепловые эффекты вызваны повышением температуры после поглощения лазерной энергии. Серьезность повреждения зависит от нескольких факторов, включая продолжительность воздействия, длину волны луча, энергию луча, а также площадь и тип ткани, подвергшейся воздействию луча.

Акустические эффекты возникают в результате механической ударной волны, распространяющейся через ткани и в конечном итоге повреждающей ткань. Это происходит, когда лазерный луч вызывает локальное испарение ткани, вызывая ударную волну, аналогичную ряби в воде от падения камня в пруд.

Воздействие луча также может вызывать фотохимические эффекты, когда фотоны взаимодействуют с клетками ткани. Изменение химического состава клетки может привести к повреждению или изменению ткани. Фотохимические эффекты сильно зависят от длины волны. Таблица 1 суммирует возможные биологические эффекты воздействия на глаза и кожу различных длин волн.

Краткое описание лазерных биологических эффектов

Типы световых лучей

Воздействие лазерного луча не ограничивается воздействием прямого луча. В частности, для высокомощных лазеров воздействие отраженного луча может быть таким же разрушительным, как и воздействие первичного луча.

Внутролучий Воздействие означает, что глаз или кожа полностью или частично подвергаются воздействию лазерного луча. Глаз или кожа подвергаются полному облучению или лучистому облучению.

Зеркальные отражения от зеркальных поверхностей могут быть почти такими же вредными, как воздействие прямого луча, особенно если поверхность плоская. Изогнутые зеркальные поверхности будут расширять луч, так что, хотя открытый глаз или кожа не поглощают полное воздействие луча, остается большая площадь для возможного воздействия.

Рассеянная поверхность — это поверхность, которая будет отражать лазерный луч во многих направлениях. Зеркальные поверхности, которые не являются полностью плоскими, например ювелирные изделия или металлические инструменты, могут вызывать диффузных отражений луча. Эти отражения не передают полную мощность или энергию первичного луча, но все же могут быть вредными, особенно для высокомощных лазеров. Диффузные отражения от лазеров класса 4 могут вызвать возгорание.

Будет ли поверхность диффузным отражателем или зеркальным отражателем, будет зависеть от длины волны луча.Поверхность, которая была бы диффузным отражателем для видимого лазера, может быть зеркальным отражателем для инфракрасного лазерного луча.

Следующий раздел >>

Laser Radiation — обзор

20.3 История применения лазерного излучения в стоматологии

Лазерное излучение (длина волны 694 нм — рубиновый лазер (подробнее см. В главе 4)) впервые было использовано в стоматологии при лечении твердых тканей, таких как кариес удаление и подготовка полости вместо механической резки и сверления.С момента первого использования этого лазера на твердых зубных тканях in vitro, Стерном и Согннасом (Stern and Sognnaes, 1964) и in vivo, Голдманом (Goldman et al. , 1965; Goldman, 1967), различные типы лазеры нашли свое место в различных областях стоматологии и оральной медицины. Излучение лазера на Nd: YAG было впервые использовано Ямамото и его коллегами в 1974 г. (Yamamoto and Ooya, 1974). Они показали, что излучение Nd: YAG (длина волны 1064 нм) может подавлять образование зарождающегося кариеса.Как видно на рис. 1.24, поглощение исследуемого лазерного излучения как в воде, так и в гидроксиапатите минимально; поэтому, когда зуб подвергается воздействию этого излучения, часть его, проходящая через эмаль и дентин, нагревает корень и может повредить его. Поэтому излучение рубинового лазера, а затем и Nd: YAG-лазера, не рекомендовалось для стоматологии твердых тканей.

Лазер, излучение которого было доказано для лечения твердых тканей зубов, — это углекислый (CO ₂ ) лазер.Длина волны 10,6 мкм хорошо поглощается эмалью и дентином, поэтому ее исследовали шаг за шагом для герметизации ямок и фиссур, приваривания керамических материалов к эмали и предотвращения или испарения кариеса (Lobene and Fine, 1966; Stern ). и др. , 1972; Melcer и др. , 1984). В любом случае необходимо учитывать нагрев ткани.

Коммерческое использование лазеров в стоматологии началось в 1989 году с производства американского стоматологического лазера Nd: YAG (Myers et al., 1989). Другие длины волн лазера, используемые в машинах, которые уже использовались в медицине и хирургии и были лишь слегка модифицированы, стали доступны для стоматологического использования в начале 1990-х годов. Тем не менее, Nd: YAG, CO _2, и полупроводниковые диодные лазеры не смогли удовлетворить растущую потребность стоматологов и пациентов в лазере, который бы удалял твердые ткани зубов. Необходимый эффект был получен при использовании импульсного излучения эрбиевого лазера на YAG (Er: YAG). В 1989 году экспериментальные исследования (Hibst and Keller, 1989) продемонстрировали эффективность длины волны Er: YAG 2940 нм для сверления эмали, дентина и кости.Аналогичный эффект был получен с помощью лазеров, генерирующих излучение вблизи пика поглощения излучения в воде (Er: Cr: YSGG или Cr: Tm: Er: YAG, генерируемая длина волны 2796 нм и 2697 нм, соответственно). Все эти лазеры в сочетании с новой системой доставки (1997 г.), которая могла бы удовлетворить хирургические потребности клинической стоматологии в общей практике, используются с того времени.

Можно резюмировать, что для целей современной клинической стоматологии длины волн, охватывающие видимую и дальнюю инфракрасную части электромагнитного спектра (приблизительно 400 нм — 10.6 мкм). Непрерывно работающие лазеры, такие как CO ₂ , аргон или Nd: YAG, используются для хирургии мягких тканей полости рта, в то время как импульсные CO ₂ , Nd: YAG, Er: YAG, Ho: YAG и эксимерные лазеры исследуются для применения в лечение патологии минерализованной ткани полости рта (Frentzen and Koort, 1990).

Часто задаваемые вопросы о лазерах

Что такое лазер?

Laser обозначает L ight A mplification за счет S Timulated E миссии R .Один из основных типов лазеров состоит из герметичной трубки, содержащей пару зеркал, и лазерной среды, которая возбуждается некоторой формой энергии для получения видимого света или невидимого ультрафиолетового или инфракрасного излучения.

Есть много разных типов лазеров, и каждый использует свой тип лазерной среды. Обычные лазерные среды включают газы, такие как аргон или смесь гелия и неона, твердые кристаллы, такие как рубин, и жидкие красители или химические вещества. Когда энергия прикладывается к лазерной среде, она возбуждается и выделяет энергию в виде световых частиц (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметичной трубки либо отражает, либо пропускает свет (см. Иллюстрацию ниже) в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждый лазерный носитель излучает луч уникальной длины волны и цвета.

Лазер

Для чего используются лазеры?

Лазеры используются для различных целей, включая указание объектов во время презентации, выравнивание материалов на строительных площадках и в доме, а также врачами для косметических и хирургических процедур.Многие предметы, с которыми вы сталкиваетесь ежедневно, используют лазеры, включая проигрыватели компакт-дисков и DVD; сканеры штрих-кода; стоматологические сверла; инструменты с лазерным наведением, например нивелиры; и лазерные указки.

Почему лазеры однозначно опасны?

Две характеристики лазерного света способствуют возникновению опасности:

• Лазерный свет может испускаться узким лучом, который не увеличивается в размерах на расстоянии от лазера. Это означает, что одинаковая степень опасности может присутствовать как вблизи, так и вдали от лазера.
• Глаз может сфокусировать лазерный луч на очень маленькое интенсивное пятно на сетчатке, что может привести к ожогу или слепому пятну.

Что вы подразумеваете под лазерным «излучением»? Проходит ли он через тело или вызывает рак?

Некоторые лазеры испускают излучение в виде света. Другие излучают невидимое для глаза излучение, например ультрафиолетовое или инфракрасное излучение. В целом, лазерное излучение само по себе не вредно и во взаимодействии с телом ведет себя так же, как обычный свет.Не следует путать лазерное излучение с радиоволнами, микроволнами, ионизирующим рентгеновским излучением или излучением радиоактивных веществ, таких как радий.

Все ли лазеры разрешены для потребительского использования?

Нет. Некоторые лазеры предназначены исключительно для использования профессионалами в области медицины, промышленности или индустрии развлечений и должны использоваться только лицами, имеющими соответствующую подготовку и лицензии.

FDA требует наличия этикеток на большинстве лазерных устройств, содержащих предупреждение о лазерном излучении и других опасностях, а также заявление, подтверждающее, что лазер соответствует правилам безопасности FDA.На этикетке также должна быть указана выходная мощность и класс опасности продукта. Бытовые лазерные изделия обычно относятся к классам I, II и IIIa, а лазеры для профессионального использования могут относиться к классам IIIb и IV.

Что означают различные классификации лазеров?

Классы лазерной опасности

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) признает четыре основных класса опасности (от I до IV) лазеров, включая три подкласса (IIa, IIIa и IIIb). Чем выше класс, тем мощнее лазер и потенциально может представлять серьезную опасность при неправильном использовании.Маркировка для классов II – IV должна включать предупреждающий символ, который указывает класс и выходную мощность продукта. Приблизительные эквивалентные классы МЭК включены для продуктов, маркированных в соответствии с системой классификации Международной электротехнической комиссии.

Что такое лазерные указки?

Лазерные указатели — это инструменты, используемые для указания объектов или местоположений, которые в соответствии с правилами FDA определены как «лазерные устройства для съемки, нивелирования и выравнивания». Их обычно используют во время лекций и презентаций по астрономии, также очень популярны лазерные указки, встроенные в спиртовые уровни и ручные инструменты.В последние годы лазерные указки стали легко доступны и обычно продаются в магазинах бытовой техники, домашних животных, хобби и канцелярских товаров.

Безопасны ли лазерные указки?

При правильном использовании лазерные указатели представляют минимальный риск, если соответствуют пределам мощности лазера. Лазерные указки используются неправильно, когда их направляют в глаза или рассматривают как игрушки. Световая энергия лазерной указки, направленная в глаз, может быть более опасной, чем прямой взгляд на солнце. Кроме того, поразительный эффект яркого луча света, направленного на кого-то, кто управляет автомобилем или работает с другими механизмами, может привести к серьезным авариям.

FDA обеспокоено увеличением доступности различных лазерных устройств, которые могут использоваться небезопасно. Особое беспокойство агентства вызывают зеленые, синие и фиолетовые лазерные указки. Хотя эти лазерные указки имеют законное применение, они могут быть изменены, чтобы стать более мощными и небезопасными, если не используются ответственно.

Является ли яркость лазерного излучения хорошим показателем его мощности и опасности для глаз?

№ Никогда не думайте, что яркость цвета лазерного луча указывает на его мощность.В условиях освещения (в помещении или на улице) луч мощного лазера может казаться такой же яркостью или более тусклым, чем луч менее мощного лазера. Например, на фото ниже зеленый лазерный луч кажется намного ярче красного и намного ярче синего. На самом деле это лазеры одинаковой мощности, и все три представляют одинаковую опасность для глаз при взгляде на луч. Если вы видите яркий синий или фиолетовый лазерный луч с яркостью, подобной зеленому лазеру, вы можете с уверенностью предположить, что синий / фиолетовый лазерный свет намного мощнее, и если смотреть прямо в луч, это приведет к серьезному и немедленному повреждению глаз.

Как правило, вы никогда не должны смотреть прямо на лазерный луч.

Как правильно использовать лазерную указку?

Помните, что лазерные указки — это не игрушки, и ими должны пользоваться только взрослые или под присмотром взрослых.

• Никогда не направляйте и не направляйте лазерную указку на кого-либо.
• Активируйте лазерную указку только тогда, когда вы используете ее для наведения на ближайший объект.
• Не покупайте детям лазерные указки. Лазеры — это не игрушки.
• Перед покупкой лазерной указки убедитесь, что на этикетке указана следующая информация:
  • заявление о том, что он соответствует главе 21 CFR (Свод федеральных правил)
  • наименование производителя или дистрибьютора и дата изготовления
  • предупреждение, чтобы избежать воздействия лазерного излучения
  • — обозначение класса от I до IIIa. Продукты класса IIIb и IV должны использоваться только лицами, прошедшими соответствующее обучение и в приложениях, где есть законная потребность в этих мощных продуктах.

Какова роль FDA в регулировании лазеров?

FDA регулирует как медицинские, так и немедицинские лазеры. FDA может проверять производителей лазерной продукции и требовать отзыва продукции, которая не соответствует федеральным стандартам или имеет дефекты радиационной безопасности. Агентство также может тестировать лазерные продукты и проверять дисплеи лазерных световых шоу, чтобы гарантировать защиту общественности. Производители лазерных световых шоу должны сообщить FDA, где они планируют шоу, чтобы агентство могло его осмотреть, если возможно, и принять меры, если необходимо.

FDA в настоящее время работает над выявлением производителей мощных зеленых лазерных указок и других незаконных лазеров и принимает меры для предотвращения продажи этих небезопасных продуктов в Соединенных Штатах.

Где я могу получить дополнительную информацию?

Если у вас есть вопросы о лазерном продукте, который вы собираетесь купить или предложить для продажи в Интернете, обратитесь в Центр устройств и радиологического здоровья FDA по телефону (301) 796-5710.

Чтобы сообщить о веб-сайтах, которые, как вы подозреваете, продают нелегальную лазерную продукцию, следуйте инструкциям в разделе «Сообщение о незаконной продаже медицинских товаров в Интернете».

Действие лазерного излучения на ткани

Доктор Карл Сток из ILM Университета Ульма. Если вы хотите описать биологическое и физическое воздействие света на ткань, вы должны сначала понять дисперсию света в ткани, чтобы, следовательно, понять различные взаимодействия между светом и тканью.

Рассеивание света в тканях

Большая часть света, попадающего на ткань, отражается, проходит, рассеивается или поглощается.Если свет поглощается, поглощенная световая энергия передается в виде тепла, флуоресценции или фосфоресценции. В зависимости от длины волны падающего света и типа ткани вышеупомянутые эффекты проявляются в разной степени.

Пропорция отражения в значительной степени зависит от разницы в преломлении воздуха и ткани, а также от угла падения. Свет, проникающий в ткань, либо поглощается, либо рассеивается микроскопическими структурами, такими как, например, клеточные компоненты.

Это рассеяние отвечает, например, за то, что лазерный луч не может быть сфокусирован по мере необходимости в ткани, а скорее за то, что диаметр пятна увеличивается в размере.

Поглощение — это решающий механизм, позволяющий использовать приложенную лазерную энергию в терапевтических целях. Вероятность поглощения излучаемого света описывается коэффициентом поглощения µa. Величина, обратная µa, представляет собой длину свободного пробега, которую фотон проходит в ткани до тех пор, пока не будет поглощен.[1].

Важные поглотители в тканях:

• В УФ-диапазоне: пептидные связи и нуклеиновые кислоты
• В видимом диапазоне: билирубин, каротин, меланин и гемоглобин
• В ИК-диапазоне: вода и гидроксилапатит.

Как показывает синяя кривая на рис. 2, поглощение воды в инфракрасном спектральном диапазоне особенно велико (глубина проникновения всего 1 мкм на длине волны 3 мкм). Вот почему Er: YAG-лазер 2,94 мкм и лазер 10.6 мкм CO ₂ лазер особенно хорошо подходит для резки и удаления мягких тканей: он в основном состоит из воды.

Взаимодействие света с тканью

Характеристики ткани и параметры излучения (длина волны, интенсивность, энергия импульса, продолжительность излучения) приводят к различным эффектам:

Низкая мощность лазера
При низкой мощности лазера, например, флуоресценция может использоваться для диагностики опухолей мочевого пузыря.С другой стороны, фотохимических процессов используются в низкоуровневой лазерной терапии (LLT) и фотодинамической терапии (например, в сочетании с метиленовым синим для уничтожения бактерий).

Более высокая мощность лазера
При более высокой мощности тепловые эффекты играют все более важную роль. При термотерапии ткань не подвергается термическому повреждению. Приблиз. 60 ° C, ткань коагулирует (например, при абляции кровеносных сосудов) и прибл. 300 ° C ткань испаряет (это называется так называемой вапоризацией ткани).Последний эффект используется, например, в хирургии для разрезания мягких тканей с помощью CO2-лазера или диодных лазеров.

Лазеры и их механизмы

Импульсные лазеры большой мощности
Одним из наиболее эффективных типов абляции тканей является термомеханическая абляция , которая используется в сочетании с импульсными лазерами и высоким поглощением в воде. Высокое поглощение и высокая мощность лазерного импульса заставляют ткань внезапно нагреваться. Приблиз. 100 ° C, вода испаряется, и давление в ткани быстро увеличивается, что может вызвать взрывную абляцию ткани.Благодаря быстрой и эффективной абляции термическое повреждение ткани значительно ниже, чем при испарении. Эффективная и точная абляция твердых тканей, костей, зубов, камней в мочевом пузыре и почках также может быть достигнута, особенно с помощью лазеров Er: YAG (см. Рис. 3).

Эксимерные лазеры
Эксимерные лазеры используются в УФ-диапазоне с короткими импульсами и высокой интенсивностью. Таким образом, не только поглощение тканью, но и энергия одиночного фотона настолько высока, что абляция происходит с отдельными атомами.Фотоабалация используется, в частности, в офтальмологии для коррекции кривизны роговицы.

Ультракороткие импульсные лазеры
При фоторазрушении атомы в фокусе ионизируются ультракороткими импульсными лазерами в нано-, пико- или даже фемтосекундном диапазоне. Это производит микроплазму, которая может чрезвычайно быстро расширяться и создавать акустическую ударную волну. Эта ударная волна приводит, например, в хирургии LASIK к высокоточной абляции, которая также используется для коррекции аметропии.В более глубоких тканях плазма и пигменты татуировок, например, также могут быть разрушены.

[1] Lasertherapie der Haut, S. 26, R. Steiner, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013

Карл Сток, доктор биологии человека, который также изучал инженерное дело, является заместителем директора Института лазерных технологий в медицине и измерительной технике (ILM) при Ульмском университете и руководителем рабочей группы по разработке оборудования. Эта рабочая группа в первую очередь разрабатывает аппараты и аппликаторы для медицинских и стоматологических применений — чаще всего для промышленных партнеров, таких как, например, лазерные методы для хирургических и диагностических применений, в том числе в специализированных областях оториноларингологии (ЛОР-медицина), урологии, общей хирургии. , и офтальмология.

Эффект лазерного излучения

Как свойства лазерного света значительно отличаются

от обычного света

Лазерный свет — это форма электромагнитного излучения, и его не следует путать с ультразвуком или другими электромедицинскими методами лечения.

Лазерный свет имеет электрические и магнитные свойства. Лазерный свет может изменить химическую структуру клеток и тканей, в отличие от видимого света.Таким образом, лазерный свет значительно отличается от видимого света.

Биологический эффект лазерного излучения

Фотоны обладают способностью ускорять процессы размножения и заживления клеток.
Было показано, что энергия лазера стимулирует эндогенные вещества, такие как флавины и цитохромы, которые являются частью дыхания клетки.
Поглощенная энергия преобразуется в свободный кислород, который стимулирует дыхание и увеличивает выработку АТФ в митохондриях.Затем производство АТФ активирует образование ДНК и РНК, что увеличивает концентрацию кальция в цитоплазме. Это необходимо для увеличения деления клеток, чтобы процесс заживления мог продолжаться. Эффект LLLT / PBM может заключаться в том, что энергия лазерного света откладывается и преобразуется непосредственно в клетки, тем самым начиная поглощать кислород.

Эффекты лазерного излучения
Лечение лазером вызывает усиление кровотока за счет расширения кровеносных сосудов, оксигенации тканей, увеличения синтеза фибробласт, ускорения образования коллагеновой соединительной ткани, а также образования гранулированной ткани. .Это в конечном итоге приводит к уменьшению воспаления, а также к образованию новой кожи и тканей. Кроме того, лечение НИЛИ / ПБМ положительно влияет на лимфодренаж. Стимуляция макрофагов снижает риск вторичной инфекции, что является важным фактором в процессе заживления.

Лазерный свет в целом
— имеет следующий эффект, и увеличение наблюдается в:

• Активность клеток
• Клеточный метаболизм
• АТФ-производство
• Локальная концентрация лимфоцитов, лейкоцитов и макрофагов
• Кровоток
• Производство коллагена
• Поглощение кислорода клетками
• НА-К-насос нормализованный
• Потенциал клеточной мембраны нормализован

Основы лазера

Основы лазера
[индекс]

Лазер

Основы
Роберт Олдрич

ТАБЛИЦА

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА
КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА
ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
ХАРАКТЕРИСТИКИ

МАТЕРИАЛЫ

ВВЕДЕНИЕ

Слово «лазер»

это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of

Радиация.Лазеры находят все больше военных

приложения — в основном для целеуказания, управления огнем,

и обучение. Эти лазеры называются дальномерами, целеуказателями.

обозначения и имитаторы стрельбы прямой наводкой. Лазеры также

используется в связи, лазерных радарах (LIDAR), системах посадки,

лазерные указатели, системы наведения, сканеры, металлообработка,

фотография, голография и медицина.

В этом документе слово «лазер» будет ограничено

устройства, излучающие электромагнитное излучение, использующие свет

усиление за счет вынужденного излучения излучения на длинах волн

от 180 нм до 1 миллиметра.Электромагнитный спектр

включает энергию от гамма-лучей до электричества. Рисунок 1

показывает полный электромагнитный спектр и длины волн

различные регионы.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр

Основные длины волн

лазерного излучения для современных военных и коммерческих

приложения включают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное

области спектра. Ультрафиолетовое излучение для лазеров

состоит из длин волн от 180 до 400 нм.Видимый

область состоит из излучения с длинами волн от 400 до 700

нм. Это часть, которую мы называем видимым светом. Инфракрасный

область спектра состоит из излучения с длинами волн

от 700 нм до 1 мм. Лазерное излучение поглощается кожей

проникает всего в несколько слоев. В глазу видно и рядом

инфракрасное излучение проходит через роговицу и фокусируется на

и поглощается сетчаткой. Это длина волны света

который определяет видимое ощущение цвета: фиолетовый при 400 нм,

красный на 700 нм, а другие цвета видимого спектра в

между.При поглощении излучения действие на поглощающую

биологическая ткань бывает фотохимической, термической или

механический: в ультрафиолетовой области действие в первую очередь

фотохимический; в инфракрасной области действие в первую очередь

термический; а в видимой области присутствуют оба эффекта.

Когда интенсивность излучения достаточно высока, повреждение

к впитывающей ткани.

ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА

Базовое понимание того, как работает лазер, помогает в

понимание опасностей при использовании лазерного устройства.фигура 2

показывает, что электромагнитное излучение испускается всякий раз, когда

заряженная частица, такая как электрон, отдает энергию. Этот

происходит каждый раз, когда электрон падает из более высокого энергетического состояния,,

в более низкое энергетическое состояние, в атоме или ионе как

происходит в люминесцентном свете. Это также происходит из-за изменений в

колебательное или вращательное состояние молекул.

Цвет света определяется его частотой или

длина волны. Более короткие длины волн — это ультрафиолет и

более длинные волны — инфракрасные.Самая маленькая частица

энергия света описывается квантовой механикой как фотон. В

энергия фотона E определяется его частотой,

и постоянная Планка h.

Скорость света в вакууме c составляет 300 миллионов метров.

в секунду. Длина волны света связана с

из следующего уравнения:

Разница уровней энергии, на которой возбужденное

Электронные капли определяют длину волны излучаемого света.

Рисунок 2. Излучение атома при переходе

электрон из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией

КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА

Как показано на рисунке 3, три основных компонента лазера

являются:

• Материал генерации (кристалл, газ, полупроводник, краситель,

  и т.д …)

• Источник накачки (добавляет энергию к материалу генерации, например

  лампа-вспышка, электрический ток вызывает электрон

  столкновения, излучение лазера и т. д.)

• Оптический резонатор, состоящий из отражателей, выполняющих роль

  механизм обратной связи для усиления света

Рис. 3. Схема твердотельного лазера

Электроны в атомах материала генерации обычно находятся

в установившемся более низком энергетическом уровне. Когда световая энергия от

лампа-вспышка добавляется к атомам материала генерации,

большинство электронов возбуждены до более высокого энергетического уровня —

явление, известное как инверсия населения.Это нестабильный

условие для этих электронов. В этом состоянии они останутся

короткое время, а затем возвращаются в исходное энергетическое состояние.

Этот распад происходит двумя способами: спонтанный распад — электроны

просто падают в свое основное состояние при случайном излучении

направленные фотоны; и вынужденный распад — фотоны от

самопроизвольно распадающиеся электроны сталкиваются с другими возбужденными электронами

что заставляет их упасть в основное состояние. Это стимулировало

переход высвободит энергию в виде фотонов света

которые движутся синфазно на той же длине волны и в том же

направление как падающий фотон.Если направление параллельно

оптической оси, излучаемые фотоны перемещаются вперед и назад в

оптический резонатор через материал генерации между

полностью отражающее зеркало и частично отражающее зеркало.

Таким образом, световая энергия усиливается до тех пор, пока не станет достаточно

энергия накапливается для передачи лазерного излучения

через частично отражающее зеркало.

Как показано на рисунке 4, лазерная среда должна иметь по крайней мере один

возбужденное (метастабильное) состояние, в котором электроны могут задерживаться на длительное время

достаточно (микросекунд в миллисекунды) для инверсии населенности

происходить.Хотя лазерное воздействие возможно только с двумя энергиями

уровней, большинство лазеров имеют четыре или более уровней.

Рисунок 4. Энергетическая диаграмма трехуровневого лазера

Q-переключатель на оптическом пути — это метод обеспечения лазерного

импульсы очень короткой продолжительности. Вращающаяся призма как

полный отражатель на рисунке 3 был ранним методом обеспечения

Модуляция добротности. Только в точке вращения, когда есть четкое

оптический путь позволит пройти световой энергии.Обычно

непрозрачное электрооптическое устройство (например, ячейка Поккельса) в настоящее время часто

используется для устройства Q-переключения. Во время напряжения

приложение, устройство становится прозрачным, свет накапливается

в резонаторе возбужденные атомы могут достигнуть зеркала, так что

Качество резонатора Q увеличивается до высокого уровня и излучает высокий

пиковая мощность лазерного импульса длительностью несколько наносекунд. Когда

фазы разных частотных режимов лазера синхронизированы

(заблокированы вместе), эти режимы будут мешать друг другу и

создать эффект удара.В результате получается лазерный выход с

регулярные пульсации, называемые «синхронизацией мод». Режим

синхронизированные лазеры обычно производят серию импульсов длительностью

от нескольких пикосекунд до наносекунд, что приводит к более высокой пиковой мощности

чем тот же лазер, работающий в режиме модуляции добротности. Импульсный

лазеры часто предназначены для генерации повторяющихся импульсов. Пульс

частота повторения прф, а также ширина импульса крайне

важно при оценке биологических эффектов.

ТИПЫ

ЛАЗЕРОВ

Лазерный диод представляет собой светодиод с оптическим

резонатор для усиления света, излучаемого из запрещенной зоны, которая

существует в полупроводниках, как показано на рисунке 5.Их можно настроить

изменяя приложенный ток, температуру или магнитное поле.

Рисунок 5. Схема полупроводникового лазера

Газовые лазеры состоят из газонаполненной трубки, помещенной в лазер.

полость, как показано на рисунке 6. Напряжение (внешний источник накачки)

применяется к трубке, чтобы возбуждать атомы в газе до

инверсия населения. Свет, излучаемый этим типом лазера

обычно непрерывная волна (CW). Следует отметить, что если

к газоразрядной трубке прикреплены угловые окна заварника,

некоторое лазерное излучение может отражаться сбоку от лазера

полость.В больших газовых лазерах, известных как газодинамические лазеры, используется

камера сгорания и сверхзвуковое сопло для населения

инверсия.

Рисунок 6. Схема газового лазера

На рисунке 7 показана схема лазера на красителе. Лазеры на красителях используют

активный материал в жидкой суспензии. Ячейка красителя содержит

лазерная среда. Многие красители или жидкие суспензии токсичны.

Рис. 7. Общая схема лазера на красителях

Лазеры на свободных электронах, такие как на рисунке 8, обладают способностью

генерируют длины волн от микроволнового до рентгеновского диапазона.Они

работать, имея электронный луч в проходе оптического резонатора

через магнитное поле вигглера. Произошла смена направления

магнитным полем электронов заставляет их излучать

фотоны.

Рис. 8. Схема лазера на свободных электронах

Геометрия лазерного луча отображает поперечный электромагнитный (ТЕМ)

волновые структуры в луче, похожие на микроволны в волне

руководство. На рисунке 9 показаны некоторые распространенные моды ПЭМ в поперечном сечении

лазерный луч.

Рис.9 Общие режимы луча ТЕМ-лазера

Можно рассматривать лазер, работающий в режиме

как два лазера, работающих бок о бок. Идеальный режим для большинства

лазерные приложения — это режим, и этот режим

обычно предполагается, что легко выполнить анализ опасностей, связанных с лазерным излучением. Свет

от обычного источника света чрезвычайно широкополосный

(содержащий длины волн в электромагнитном спектре). Если

нужно было установить фильтр, который позволял бы только очень узкий

полоса длин волн перед белым или широкополосным светом

источника, только один светлый цвет будет виден на выходе из

фильтр.Свет от лазера похож на свет, видимый из

фильтр. Однако вместо узкой полосы длин волн ни одна

из которых доминирует, как и в случае с фильтром, есть

гораздо более узкая ширина линии около излучаемой доминирующей центральной частоты

от лазера. Цвет или длина волны излучаемого света

зависит от типа используемого материала для генерации. Например,

если используется кристалл неодима: иттриевого алюминиевого граната (Nd: YAG)

в качестве материала для генерации будет использоваться свет с длиной волны 1064 нм.

быть испущенным.В таблице 1 показаны различные типы материалов.

в настоящее время используется для генерации, и длины волн, излучаемые

этот тип лазера. Обратите внимание, что некоторые материалы и газы

способен излучать более одной длины волны. Длина волны

излучаемый свет в этом случае зависит от оптического

конфигурация лазера.

Таблица 1. Общие лазеры и их

Длины волн

Свет от обычного источника света расходится или распространяется

быстро, как показано на рисунке 10.Интенсивность может быть большой

в источнике, но он быстро уменьшается по мере удаления наблюдателя

из первоисточника.

Рис. 10. Расхождение обычного источника света

Напротив, выход лазера, показанный на рисунке 11, имеет

очень малая расходимость и может поддерживать высокую интенсивность луча более

большие расстояния. Таким образом, относительно маломощные лазеры могут

излучать больше энергии на одной длине волны в узком луче

чем можно получить от гораздо более мощного обычного света

источники.

Рис. 11. Расходимость лазерного источника

Например, лазер, способный доставлять импульс 100 мДж в

20 нс имеет пиковую мощность 5 миллионов ватт. Лазер CW будет

обычно световая энергия выражается в ваттах, а импульсный

мощность лазера обычно выражается в джоулях. С

энергия не может быть создана или уничтожена, количество энергии

имеющееся в вакууме на выходе лазера будет таким же

количество энергии, содержащейся в луче в какой-то момент

вниз по диапазону (с некоторыми потерями в атмосфере).Рисунок 12.

иллюстрирует типичный лазерный луч. Количество доступной энергии

в пределах участка отбора проб будет значительно меньше, чем

количество энергии, доступной в луче. Например, 100 мВт

выходная мощность лазера может иметь 40 мВт в пределах 1

площадь образца. Энергия излучения в этом примере составляет 40 мВт /.

Рис. 12. Иллюстрация освещенности

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Материалы могут отражать, поглощать и / или пропускать световые лучи.Отражение света лучше всего иллюстрирует зеркало. Если свет

лучи падают на зеркало, почти вся энергия падает на

зеркало будет отражено. На рисунке 13 показано, как пластик или

поверхность стекла будет воздействовать на падающий световой луч. Сумма

переданная, поглощенная и отраженная энергия будет равна количеству

энергии, падающей на поверхность.

Поверхность является зеркальной (зеркальной), если размер поверхности

несовершенства и вариации намного меньше длины волны

падающего оптического излучения.Когда неровности случайны

ориентированы и намного больше длины волны, то

поверхность считается диффузной. В промежуточной области это

иногда необходимо учитывать диффузную и зеркальную составляющие

раздельно.

Рис. 13. Световой луч, падающий на стеклянную поверхность

Плоская зеркальная поверхность не изменит расхождения

падающий световой луч значительно. Однако изогнутые зеркальные

поверхности могут изменить расхождение.Сумма, которую

расхождение изменяется в зависимости от кривизны

поверхность. На рисунке 14 показаны эти два типа поверхностей и

как они будут отражать падающий лазерный луч. Расхождение и

кривизна отражателя была увеличена в лучшую сторону

проиллюстрировать эффекты. Обратите внимание, что значение освещенности

на определенном расстоянии от отражателя будет меньше

после отражения от изогнутой поверхности, чем при отражении от

плоская поверхность, если изогнутый отражатель не фокусирует луч

рядом или в этом диапазоне.

Диффузная поверхность — это поверхность, которая будет отражать падающий

лазерный луч во всех направлениях. Путь луча не выдерживается

когда лазерный луч попадает на диффузный отражатель. Будь

поверхность представляет собой диффузный отражатель или зеркальный отражатель будет

зависят от длины волны падающего лазерного луча. Поверхность

это был бы диффузный отражатель для видимого лазерного луча.

быть зеркальным отражателем для инфракрасного лазерного луча (например,

). Как показано на рисунке 15, влияние различной кривизны

диффузных отражателей мало влияет на отраженный

луч.

Если свет падает на границу раздела двух

передающей средой (как интерфейс воздух-стекло), немного света будет

передаваться, в то время как некоторые будут отражаться от поверхности. Если

на границе раздела энергия не поглощается, T + R = 1, где T и R

— доли интенсивности падающего пучка, которые

передается и отражается. T и R называются трансмиссией.

и коэффициенты отражения соответственно. Эти коэффициенты

зависят не только от свойств материала и

длины волны излучения, но и от угла наклона

заболеваемость.Количество падающего светового луча, которое

отражается, а количество, передаваемое через материал,

в дальнейшем зависит от поляризации светового луча.

Угол, который образует падающий луч излучения с

нормали к поверхности определяют угол преломления и

угол отражения (угол отражения равен углу

заболеваемости). Связь между углом падения (

), а угол преломления (‘) составляет

где n и n ‘- показатели преломления сред,

падающий и прошедший лучи проходят соответственно (см.

рисунок 13).

Рисунок 14. Зеркальные отражатели

Рисунок 15. Диффузные отражатели

ИСТОЧНИК: Центр надводной войны Роберта Олдрича, дивизия Дальгрена.