Применение лазеров в промышленности и медицине
В геодезии широко используются различные типы лазерных светодальномеров, в которых применяют твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры.
Малое расхождение луча лазеров, возможность фокусировки и создания огромных плотностей энергии позволяют применять их в маркшейдерской практике, строительстве крупных инженерных сооружений, в машиностроении, вычислительной технике, электронике, приборостроении, медицине и т. д. Лазерный луч может использоваться для посадки самолетов.
Газовые гелийнеоновые и аргоновые лазеры, работающие в непрерывном режиме, используют в голографии (объемные изображения предметов), спектроскопии, нелинейной оптике и др.
В метеорологии при контроле загрязнения окружающей среды для увеличения чувствительности лазерных установок применяют лазеры с высокими параметрами излучения и длиной волны любого диапазона оптического излучения.
Важной областью применения лазеров являются биология и медицина, где нередко дозы облучения могут значительно превышать безопасные уровни, так как мощность излучения определяется медицинскими показаниями.
Лазеры используются во многих отраслях народного хозяйства с технологической целью. В лазерной технологии находят применение твердотельные на рубине и неодимовом стекле импульсные лазеры, генерирующие излучение на длине волны 0,69 и 1,06 мкм в режиме свободной генерации, и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм. Первой технологической операцией, выполненной с помощью лазера, было сверление («прожигание», «прошивка») отверстий в сверхтвердых материалах (алмазах). Эта операция получила широкое применение в производствах часовых рубиновых и технологических камней (шлифовка, сверление), алмазных фильер, деталей пресс-форм, форсунок и др.
Возможность концентрации лазерного излучения в пучок малого диаметра позволяет создавать очень высокие значения плотности энергии, необходимые для резания различных высокопрочных материалов - сталей, твердых сплавов, алмазов и др. Для процесса резания используются лазеры на углекислом газе непрерывного действия с выходной мощностью сотни, тысячи ватт и более.
Интенсивно развивается лазерная пайка, точечная и шовная сварка тончайших металлических изделий (светолучевая сварка), различных сочетаний (композиций), материалов и тугоплавких металлов: медь - алюминий, германий - золото, никель - тантал и т. д. Лазером сваривают катоды в радиолампах без нарушения вакуума и строения свариваемых материалов. Для сварки и пайки используются лазеры на рубине, неодимовом стекле, алюмоитриевом гранате, на двуокиси углерода.
Широко применяются СО2-лазеры для резки листовых материалов в крупномасштабных производствах непрерывного цикла (бумажная, стеклоделательная промышленность).
Действие лазера на организм
Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности и энергии излучения на единицу облучаемой поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты следования импульсов, времени облучения, площади облучаемой поверхности), локализации воздействия и от анатомо-физиологических особенностей облучаемых объектов.
В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения. Энергия излучения лазеров в биологических объектах (ткань, орган) может претерпевать различные превращения и вызывать органические изменения в облучаемых тканях (первичные эффекты) и неспецифические изменения, функционального характера (вторичные эффекты).
Биологические эффекты, возникающие при воздействии лазерного излучения на организм, зависят от энергетической экспозиции в импульсе или энергетической освещенности, длины волны излучения, длительности импульса, частоты повторения импульсов, экспозиции воздействия и площади облучаемого участка, а также от биологических и физико-химических особенностей облучаемых тканей и органов.
Лазерное излучение способно вызывать первичные эффекты, к которым относятся органические изменения, возникающие непосредственно в облучаемых тканях, и вторичные эффекты - неспецифические изменения, возникающие в организме в ответ на облучение.
Термический эффект импульсных лазеров большой интенсивности имеет специфические особенности. При действии излучения импульсного лазера в облучаемых тканях происходит быстрый нагрев структур. Причем, если излучение соответствует режиму свободной генерации, то за время импульса (длительность в пределах 1 мс) тепловая энергия вызывает термический ожог тканей. Лазеры, работающие в режиме модулированной добротности (с укороченным импульсом), излучают энергию за весьма короткое время (длительность импульса 1*10-7 – 1*10-12 с).
В результате быстрого нагрева структур до высоких температур происходит резкое повышение давления в облучаемых тканевых элементах, что приводит к механическому повреждению тканей. Например, в момент воздействия на глаз или на кожу импульс излучения субъективно ощущается как точечный удар. С увеличением энергии в импульсе излучения ударная волна возрастает.
Таким образом, лазерное излучение приводит к сочетанному термическому и механическому действию.
Влияние излучения лазера орган зрения. Эффект воздействия лазерного излучения на орган зрения в значительной степени зависит от длины волны и локализации воздействия. Выраженность морфологических изменений и клиническая картина расстройств функций зрения может быть от полной потери зрения (слепота) до инструментально выявляемых функциональных нарушений.
Лазерное излучение видимой и ближней ИК области спектра при попадании в орган зрения достигает сетчатки, а излучение ультрафиолетовой и дальней ИК областей спектра поглощается конъюнктивой, роговицей, хрусталиком.
Действие лазерного излучения на кожу. При применении лазеров большой, мощности и расширении их практического использования возросла опасность случайного повреждения не только органа зрения, но и кожных покровов и даже внутренних органов. Характер повреждений кожи или слизистых оболочек варьирует от легкой гиперемии до различной степени ожогов, вплоть до грубых патологических изменений типа некроза.
Различают 4 степени поражения кожи лазерным излучением:
I степень – ожоги эпидермиса: эритема, десквамация эпителия;
II – ожоги дермы: пузыри, деструкция поверхностных слоев дермы;
III - ожоги дермы: деструкция дермы до глубоких слоев;
IV - деструкция всей толщи кожи, подкожной клетчатки и подлежащих слоев
Действие лазерных излучений наряду с морфофункциональными изменениями тканей непосредственно в месте облучения вызывает разнообразные функциональные сдвиги в организме. В частности, развиваются изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной системах, которые могут приводить к нарушению здоровья. Биологический эффект воздействия лазерного излучения усиливается при неоднократных воздействиях и при комбинациях с другими факторами производственной среды.
УФ-излучение
Ультрафиолетовое (УФ) излучение представляет собой невидимое глазом электромагнитное излучение, занимающее в электромагнитном спектре промежуточное положение между светом и рентгеновским излучением.
Биологически активная часть УФ излучения делится на 3 части: спектральная область – А с длиной волны 400 - 315 нм, область В с длиной волны 315 - 280 нм и С - 280 – 200 нм. УФ-излучение более короткого диапазона (от 180 нм и ниже) сильно поглощается всеми материалами и средами, в том числе и воздухом, а потому может иметь место только в условиях вакуума.
УФ-лучи обладают способностью вызывать фотоэлектрический эффект, проявлять фотохимическую активность (развитие фотохимических реакций), вызывать люминесценцию и обладают .значительной биологической активностью. При этом УФ-лучи области А отличаются сравнительно слабым биологическим действием, возбуждают флюоресценцию органических соединений. Лучи области В обладают сильным эритемным и антирахитическим действием, а лучи области С активно действуют на тканевые белки и липиды, вызывают гемолиз и обладают выраженным антирахитическим действием.
Нормируемой величиной искусственного УФ-облучения является количество эритемного облучения, определяемое произведением эритемной облученности на время облучения. Эта величина аналогична освещенности и определяется плотностью эритемного потока.
Эритемный поток (Фэр) – мощность эритемного излучения - представляет собой величину, характеризующую эффективность УФ-излучения по его полезному воздействию на человека и животных.