На організм лазерного випромінювання хвилі. Що таке лазерне випромінювання? Лазерне випромінювання: його джерела та захист від нього

1. Проходження монохроматичного світла через прозоре середовище.

2. Створення інверсної населеності. Способи накачування.

3. Принцип впливу лазера. Типи лазерів.

4. Особливості лазерного випромінювання.

5. Характеристики лазерного випромінювання, що застосовується у медицині.

6. Зміни властивостей тканини та її температури під дією безперервного потужного лазерного випромінювання.

7. Використання лазерного випромінювання у медицині.

8. Основні поняття та формули.

9. Завдання.

Ми знаємо, що світло випускається окремими порціями - фотонами, кожен із яких виникає внаслідок випромінювального переходу атома, молекули чи іона. Природне світло - це сукупність великої кількості таких фотонів, що розрізняються за частотою і фазою, випущених у випадкові моменти часу у випадкових напрямках. Отримання потужних пучків монохроматичного світла за допомогою природних джерел – завдання практично нерозв'язне. У той самий час потреба у таких пучках відчувалася як фізиками, і фахівцями багатьох прикладних наук. Створення лазера дозволило вирішити це завдання.

Лазер- пристрій, що генерує когерентні електромагнітні хвилі за рахунок вимушеного випромінювання мікрочастинок середовища, в якому створено високий ступінь збудження одного з енергетичних рівнів.

Лазер - посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання.

Інтенсивність лазерного випромінювання (ЛИ) у багато разів перевищує інтенсивність природних джерел світла, а розбіжність лазерного променя менше однієї кутової хвилини (10 -4 рад).

31.1. Проходження монохроматичного світла через прозоре середовище

У лекції 27 ми з'ясували, що проходження світла через речовину супроводжується як фотонним збудженнямйого частинок, а також актами вимушеного випромінювання.Розглянемо динаміку цих процесів. Нехай серед поширюється монохроматичнийсвітло, частота якого (ν) відповідає переходу частинок цього середовища з основного рівня (E 1) на збуджений (Е 2):

Фотони, що потрапляють у частинки, що перебувають у основному стані, будуть поглинатися,а самі частинки переходитимуть у збуджений стан Е2 (див. рис. 27.4). Фотони, які потрапляють до збуджених частинок, ініціюють вимушене випромінювання (див. рис. 27.5). При цьому відбувається подвоєння фотонів.

У стані теплової рівноваги співвідношення між числом збуджених (N 2) і незбуджених (N 1) частинок підпорядковується розподілу Больцмана:

де k – постійна Больцмана, T – абсолютна температура.

При цьому N 1 >N 2 поглинання домінує над подвоєнням. Отже, інтенсивність світла, що виходить, I буде менше інтенсивності падаючого світла I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1.Ослаблення світла, що проходить через середовище, в якому ступінь збудження менше 50% (N 1 > N 2)

У міру поглинання світла ступінь збудження зростатиме. Коли вона досягне 50% (N 1 = N 2), між поглинаннямі подвоєннямвстановиться рівновага, тому що ймовірності попадання фотонів у збуджену та незбуджену частинки стануть однаковими. Якщо освітлення середовища припиниться, через деякий час середа повернеться у початковий стан, відповідне розподілу Больцмана (N 1 > N 2). Зробимо попередній висновок:

При освітленні середовища монохроматичним світлом (31.1) неможливо досягти такого стану середовища, у якому ступінь порушення перевищує 50 %. І все-таки давайте розглянемо питання про проходження світла через середовище, в якому якимось способом досягнуто стан N 2 > N 1 . Такий стан називається станом з інверсною населеністю(Від лат. inversio- Перевертання).

Інверсне населення- такий стан середовища, у якому число частинок одному з верхніх рівнів більше, ніж нижньому.

У середовищі з інверсною населеністю ймовірність попадання фотона в збуджену частинку більша, ніж у збуджену. Тому процес подвоєння домінує над процесом поглинання та має місце посилення світла (рис. 31.2).

У міру проходження світла через середу з інверсною населеністю ступінь збудження знижуватиметься. Коли вона досягне 50%

Рис. 31.2.Посилення світла, що проходить через середовище з інверсною населеністю (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), між поглинаннямі подвоєннямвстановиться рівновага та ефект посилення світла зникне. Якщо освітлення середовища припиниться, через деякий час середа повернеться у стан, відповідне розподілу Больцмана (N 1 > N 2).

Якщо вся ця енергія виділиться у випромінювальних переходах, ми отримаємо світловий імпульс величезної потужності. Правда, він ще не матиме необхідної когерентності і спрямованості, але буде високою мірою монохроматичний (hv = E 2 - E 1). Це ще лазер, але вже щось близьке.

31.2. Створення інверсної населеності. Способи накачування

Тож чи можна досягти інверсної населеності? Виявляється, можна, якщо використати триенергетичного рівня з наступною конфігурацією (рис. 31.3).

Нехай середовище висвітлюється потужним спалахом світла. Частина спектра випромінювання буде поглинена у переході з основного рівня Е1 на широкий рівень Е3. Нагадаємо, що широкимє енергетичний рівень із малим часом релаксації. Тому більшість частинок, що потрапили на рівень збудження Е 3 , без випромінювання переходить на вузький метастабільний рівень Е 2 де відбувається їх накопичення. Внаслідок вузькості цього рівня лише мала частка фотонів спалаху

Рис. 31.3.Створення інверсної населеності на метастабільному рівні

здатна викликати вимушений перехід Е2 → Е1. Цим і забезпечуються умови створення інверсної населеності.

Процес створення інверсної населеності називається накачуванням.У сучасних лазерах застосовуються різні види накачування.

Оптична накачування прозорих активних середовищ використовує імпульси світла від зовнішнього джерела.

Електророзрядне накачування газових активних середовищ використовує електричний розряд.

Інжекційне накачування напівпровідникових активних середовищ використовує електричний струм.

Хімічна накачування активного середовища із суміші газів використовує енергію хімічної реакції між компонентами суміші.

31.3. Принцип дії лазера. Типи лазерів

Функціональна схема лазера показано на рис. 31.4. Робоче тіло (активне середовище) є довгим вузьким циліндром, торці якого закриті двома дзеркалами. Одне із дзеркал (1) напівпрозоре. Така система називається оптичним резонатором.

Система накачування переводить частинки з основного рівня Е 1 на поглинальний рівень Е 3, звідки вони безвипромінно переходять на метастабільний рівень Е 2 створюючи його інверсну населеність. Після цього починаються спонтанні випромінювальні переходи Е 2 → Е 1 з випромінюванням монохроматичних фотонів:

Рис. 31.4.Схематичний пристрій лазера

Фотони спонтанного випромінювання, випущені під кутом до осі резонатора, виходять через бічну поверхню і в процесі генерації не беруть участь. Їхній потік швидко вичерпується.

Фотони, які після спонтанного випромінювання рухаються вздовж осі резонатора, багаторазово проходять через робоче тіло, відбиваючись від дзеркал. При цьому вони взаємодіють із збудженими частинками, ініціюючи вимушене випромінювання. За рахунок цього відбувається «лавиноподібне» наростання індукованих фотонів, що рухаються у тому самому напрямку. Багаторазово посилений потік фотонів виходить через напівпрозоре дзеркало, створюючи потужний пучок майже паралельних променів когерентних. Фактично лазерне випромінювання породжується першимспонтанним фотоном, що рухається вздовж осі резонатора. Це забезпечує когерентність випромінювання.

Таким чином, лазер перетворює енергію джерела накачування на енергію монохроматичного когерентного світла. Ефективність такого перетворення, тобто. ККД залежить від типу лазера і лежить в діапазоні від часток відсотка до декількох десятків відсотків. Більшість лазерів ККД становить 0,1-1 %.

Типи лазерів

Перший створений лазер (1960 р.) використовував як робоче тіло рубін і оптичну систему накачування. Рубін - це кристалічний окис алюмінію А1 2 Про 3 містить близько 0,05% атомів хрому (саме хром надає рубіну рожевий колір). Атоми хрому, впроваджені в кристалічні ґрати, є активним середовищем

зі зміною енергетичних рівнів, зображеної на рис. 31.3. Довжина хвилі випромінювання рубінового лазера дорівнює λ = 694,3 нм. Потім з'явилися лазери, які використовують інші активні середовища.

Залежно від типу робочого тіла лазери поділяються на газові, твердотільні, рідинні, напівпровідникові. У твердотільних лазерах активний елемент зазвичай виготовляється у вигляді циліндра, довжина якого набагато більша за його діаметр. Газові та рідкі активні середовища поміщають у циліндричну кювету.

Залежно від способу накачування можна отримати безперервну та імпульсну генерацію лазерного випромінювання. За безперервної системи накачування інверсія населеності підтримується тривалий час за рахунок зовнішнього джерела енергії. Наприклад, безперервне збудження електричним розрядом у газовому середовищі. При імпульсній системі накачування інверсія населення створюється в імпульсному режимі. Частота проходження імпульсів від 10 -3

Гц до 103 Гц.

31.4. Особливості лазерного випромінювання

Лазерне випромінювання своїми властивостями значно відрізняється від випромінювання звичайних джерел світла. Зазначимо його характерні риси.

1. Когерентність.Випромінювання є висококогерентним,що з властивостями вимушеного випромінювання. У цьому має місце як тимчасова, а й просторова когерентність: різниця фаз у двох точках площині, перпендикулярної напряму поширення, зберігається постійної (рис. 31.5, а).

2. Колімованість.Лазерне випромінювання є колімованим,тобто. всі промені в пучку майже паралельні один до одного (рис. 31.5, б). На великій відстані лазерний пучок лише трохи збільшується в діаметрі. Так як кут розбіжності φ малий, то інтенсивність лазерного пучка слабо зменшується з відстанню. Це дозволяє передавати сигнали на великі відстані при малому послабленні їхньої інтенсивності.

3. Монохроматичність.Лазерне випромінювання є в високого ступеня монохроматичним,тобто. містить хвилі практично однакової частоти (ширина спектральної лінії становить Δλ ≈0,01 нм). на

малюнку 31.5, наведено схематичне порівняння ширини лінії лазерного променя і променя звичайного світла.

Рис. 31.5.Когерентність (а), колімованість (б), монохроматичність (в) лазерного випромінювання

До появи лазерів випромінювання з деяким ступенем монохроматичності вдавалося отримати за допомогою приладів - монохроматорів, що виділяють із суцільного спектра вузькі спектральні інтервали (вузькі смуги довжин хвиль), проте потужність світла таких смугах мала.

4. Висока потужність.За допомогою лазера можна забезпечити дуже високу потужність монохроматичного випромінювання – до 10 5 Вт у безперервному режимі. Потужність імпульсних лазерів на кілька порядків вища. Так, неодимовий лазер генерує імпульс з енергією Е = 75 Дж, тривалість якого t = 3х10-12 с. Потужність в імпульсі дорівнює Р = Е/t = 2,5 х10 13 Вт (для порівняння: потужність ГЕС становить Р ~ 109 Вт).

5. Висока інтенсивність.У імпульсних лазерах інтенсивність лазерного випромінювання дуже висока може досягати I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (порівн. інтенсивність сонячного світла поблизу земної поверхні I = 0,1 Вт/см 2).

6. Висока яскравість.У лазерів, що працюють у видимому діапазоні, яскравістьлазерного випромінювання (сила світла з одиниці поверхні) дуже велика. Навіть найслабші лазери мають яскравість 1015 кд/м2 (для порівняння: яскравість Сонця L ~ 109 кд/м2).

7. Тиск.При падінні лазерного променя на поверхню тіла створюється тиск(Д). При повному поглинанні лазерного випромінювання, що падає перпендикулярно до поверхні, створюється тиск Д = I/c, де I -інтенсивність випромінювання, з - швидкість світла у вакуумі. При повному відображенні величина тиску вдвічі більша. Для інтенсивності I = 1014 Вт/см 2 = 1018 Вт/м 2 ; Д = 3,3 х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованість.Лазерне випромінювання повністю поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного випромінювання, що застосовується в медицині

Довжина хвилі випромінювання

Довжини хвиль випромінювання (λ) медичних лазерів лежать діапазоні 0,2 -10 мкм, тобто. від ультрафіолетової до далекої інфрачервоної області.

Потужність випромінювання

Потужність випромінювання (P) медичних лазерів варіюється в широких межах, що визначаються цілями застосування. У лазерів з безперервним накачуванням Р = 0,01-100 Вт. Імпульсні лазери характеризуються потужністю в імпульсі Р та тривалістю імпульсу τ і

Для хірургічних лазерів Р і = 103 -108 Вт, а тривалість імпульсу т і = 10 -9 -10 -3 с.

Енергія в імпульсі випромінювання

Енергія одного імпульсу лазерного випромінювання (Е і) визначається співвідношенням Е і = Р і -т і де т і - тривалість імпульсу випромінювання (зазвичай т і = 10 -9 -10 -3 с). Для хірургічних лазерів Е та = 0,1-10 Дж.

Частота проходження імпульсів

Ця характеристика (f) імпульсних лазерів показує кількість імпульсів випромінювання, що генеруються лазером за 1 с. Для терапевтичних лазерів f = 10-3000 Гц, для хірургічних f = 1-100 Гц.

Середня потужність випромінювання

Ця характеристика (Р ср) імпульсно-періодичних лазерів показує, яку енергію лазер випромінює за 1 с, і визначається наступним співвідношенням:

Інтенсивність (щільність потужності)

Ця характеристика (I) визначається як відношення потужності лазерного випромінювання до площі поперечного перерізу пучка. Для безперервних лазерів I = P/S. У разі імпульсних лазерів розрізняють інтенсивність у імпульсі I і = P і /S та середню інтенсивність I ср = Р ср /S.

Інтенсивність хірургічних лазерів та тиск, що створюється їх випромінюванням, мають такі значення:

для безперервних лазерів I ~ 10 3 Вт/см 2 Д = 0,033 Па;

для імпульсних лазерів I і ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Щільність енергії в імпульсі

Ця величина (W) характеризує енергію, яка припадає на одиницю площі поверхні, що опромінюється за один імпульс і визначається співвідношенням W = E і /S, де S (см 2) - площа світлової плями (тобто поперечного перерізу лазерного променя) на поверхні біотканини. У лазерів, що використовуються в хірургії, W 100 Дж/см 2 .

Параметр W можна як дозу опромінення D за 1 імпульс.

31.6. Зміни властивостей тканини та її температури під дією безперервного потужного лазерного випромінювання

Зміна температури та властивостей тканини

під дією безперервного лазерного випромінювання

Поглинання потужного лазерного випромінювання біологічної тканини супроводжується виділенням теплоти. Для розрахунку теплоти, що виділяється, використовують спеціальну величину - об'ємну щільність теплоти(q).

Виділення теплоти супроводжується підвищенням температури та в тканинах протікають такі процеси:

при 40-60°С мають місце активація ферментів, утворення набряків, зміна та залежно від часу дії загибель клітин денатурація протеїну, початок коагуляції та некрози;

при 60-80 ° С - денатурація колагену, дефекти мембран; при 100 ° С - зневоднення, випарювання тканинної води; понад 150 ° С - обвуглювання;

понад 300 ° С - випарювання тканини, газоутворення. Динаміка перебігу цих процесів зображено на рис. 31.6.

Рис. 31.6.Динаміка зміни температури тканини під впливом безперервного лазерного випромінювання

1 фаза.Спочатку температура тканини збільшується від 37 до 100 °С. У цьому діапазоні температур термодинамічні властивості тканини залишаються практично незмінними і відбувається лінійне зростання температури з часом (α = const і I = const).

2 фаза.При температурі 100 °С починається випарювання тканинної води, і до закінчення цього процесу температура залишається постійною.

3 фаза.Після випарювання води температура знову починає зростати, але повільніше, ніж на ділянці 1, так як зневоднена тканина поглинає енергію слабше за нормальну.

4 фаза.Після досягнення температури Т ≈ 150 °С починається процес обвуглювання і, отже, «почорніння» біотканини. При цьому коефіцієнт поглинання збільшується. Тому спостерігається нелінійне зростання температури, що прискорюється з часом.

5 фаза.Після досягнення температури Т ≈ 300 °С починається процес випаровування обезводненої обвугленої біотканини і зростання температури знову припиняється. Саме на цей момент лазерний промінь розтинає (видаляє) тканину, тобто. стає скальпелем.

Ступінь підвищення температури залежить від глибини залягання тканини (рис. 31.7).

Рис. 31.7.Процеси, що протікають в опромінених тканинах на різній глибині: а- у поверхневому шарі тканина нагрівається до кількох сотень градусів та випаровується; б- Потужність випромінювання, ослабленого верхнім шаром, недостатня для випаровування тканини. Відбувається коагуляція тканини (іноді разом із обвуглюванням - чорна жирна лінія); в- відбувається нагрівання тканини внаслідок передачі теплоти із зони (б)

Протяжності окремих зон визначаються як характеристиками лазерного випромінювання, і властивостями самої тканини (насамперед коефіцієнтами поглинання і теплопровідності).

Вплив потужного сфокусованого пучка лазерного випромінювання супроводжується виникненням ударних хвиль, які можуть стати причиною механічного пошкодження прилеглих тканин.

Абляція тканини під впливом потужного імпульсного лазерного випромінювання

При дії на тканину коротких імпульсів лазерного випромінювання з високою щільністю енергії реалізується інший механізм розсічення та видалення біотканини. У цьому випадку відбувається дуже швидке нагрівання тканинної рідини до температури Т > Т кип. При цьому тканинна рідина виявляється у метастабільному перегрітому стані. Потім відбувається «вибухове» закипання тканинної рідини, яке супроводжується видаленням тканини без обвуглювання. Це явище називається абляцією.Абляція супроводжується генерацією механічних ударних хвиль, здатних викликати механічне пошкодження тканин на околицях зони лазерного впливу. Цей факт необхідно враховувати при виборі параметрів імпульсного лазерного випромінювання, наприклад, при шліфуванні шкіри, свердлінні зубів або при лазерній корекції гостроти зору.

31.7. Використання лазерного випромінювання у медицині

Процеси, що характеризують взаємодію лазерного випромінювання (ЛИ) з біооб'єктами, можна розділити на 3 групи:

непорушний вплив(що не помітно впливає на біооб'єкт);

фотохімічна дія(збуджена лазером частка або сама бере участь у відповідних хімічних реакціях, або передає своє збудження іншій частинці, що бере участь у хімічній реакції);

фоторуйнування(за рахунок виділення тепла чи ударних хвиль).

Лазерна діагностика

Лазерна діагностика є незбурним впливом на біооб'єкт, що використовує когерентністьлазерного випромінювання Перелічимо основні методи діагностики.

Інтерферометрія.При відображенні лазерного випромінювання від шорсткої поверхні з'являються вторинні хвилі, які інтерферують між собою. В результаті утворюється картина темних та світлих плям (спеклів), розташування яких дає інформацію про поверхню біооб'єкта (метод спеклоінтерферометрії).

Голографія.За допомогою лазерного випромінювання одержують 3-мірне зображення об'єкта. У медицині цей метод дозволяє отримувати об'ємні зображення внутрішніх порожнин шлунка, очей і т.д.

Розсіювання світла.При проходженні гостроспрямованого лазерного пучка через прозорий об'єкт відбувається розсіювання світла. Реєстрація кутової залежності інтенсивності розсіяного світла (метод нефелометрії) дозволяє визначати розміри частинок середовища (від 0,02 до 300 мкм) та ступінь їхньої деформації.

При розсіюванні може змінюватися поляризація світла, що також використовується в діагностиці (метод поляризаційної нефелометрії).

Ефект Доплера.Цей метод заснований на вимірі доплерівського зсуву ЧС, який виникає при відображенні світла навіть від повільно рухомих частинок (метод аненометрії). У такий спосіб вимірюється швидкість кровотоку в судинах, рухливість бактерій тощо.

Квазіпружне розсіювання.При такому розсіянні відбувається незначна зміна довжини хвилі зондуючого. Причина цього - зміна у процесі вимірювання властивостей, що розсіюють (конфігурації, конформації частинок). Тимчасові зміни параметрів поверхні, що розсіює, проявляються в зміні спектру розсіювання в порівнянні зі спектром подаючого випромінювання (спектр розсіювання або поширюється, або в ньому з'являються додаткові максимуми). Даний метод дозволяє отримувати інформацію про мінливі характеристики розсіювачів: коефіцієнт дифузії, швидкість спрямованого транспорту, розміри. Так здійснюється діагностика макромолекул білків.

Лазерна мас-спектроскопія.Цей метод використовують із дослідження хімічного складу об'єкта. Потужні пучки лазерного випромінювання випаровують речовину з біооб'єкта. Пари піддають мас-спектрального аналізу, за результатами якого судять про склад речовини.

Лазерний аналіз крові.Лазерний промінь, що пропускається через вузький кварцовий капіляр, яким прокачується спеціально оброблена кров, викликає флуоресценцію її клітин. Флуоресцентне світіння потім уловлюється чутливим датчиком. Це світіння специфічне для кожного типу клітин, що проходять поодинці через переріз лазерного променя. Підраховується загальна кількість клітин у заданому обсязі крові. Визначаються точні кількісні показники щодо кожного типу клітин.

Метод фоторуйнування.Його використовують для дослідження поверхневого складуоб'єкт. Потужні пучки дозволяють брати мікропроби з поверхні біооб'єктів шляхом випаровування речовини і подальшого мас-спектрального аналізу цієї пари.

Використання лазерного випромінювання у терапії

У терапії використовують низькоінтенсивні лазери (інтенсивність 0,1-10 Вт/см 2 ). Низькоінтенсивне випромінювання не викликає помітної деструктивної дії на тканині безпосередньо під час опромінення. У видимій та ультрафіолетовій областях спектру ефекти опромінення обумовлені фотохімічними реакціями і не відрізняються від ефектів, що викликаються монохроматичним світлом, отриманим від звичайних джерел некогерентних. У цих випадках лазери є просто зручними монохроматичними джерелами світла, забезпеч-

Рис. 31.8.Схема застосування лазерного джерела для внутрішньосудинного опромінення крові

що мають точну локалізацію та дозування впливу. Як приклад на рис. 31.8 наведено схему використання джерела лазерного випромінювання для внутрішньосудинного опромінення крові у хворих з серцевою недостатністю.

Нижче наведено найбільш поширені методи лазеротерапії.

Терапія за допомогою червоного світла.Випромінювання Не-Ne лазера з довжиною хвилі 632,8 нм використовується із протизапальною метою для лікування ран, виразок, ішемічної хвороби серця. Лікувальний ефект пов'язаний із впливом світла цієї довжини хвилі на проліферативну активність клітини. Світло виступає у ролі регулятора клітинного метаболізму.

Терапія за допомогою синього світла.Лазерне випромінювання з довжиною хвилі у синій області видимого світла використовується, наприклад, для лікування жовтяниці новонароджених. Це захворювання – наслідок різкого зростання в організмі концентрації білірубіну, який має максимум поглинання у синій ділянці. Якщо опромінювати дітей лазерним випромінюванням такого діапазону, то білірубін розпадається, утворюючи водорозчинні продукти.

Лазерофізіотерапіявикористання лазерного випромінювання при поєднанні з різними методами електрофізіотерапії Деякі лазери мають магнітні насадки для поєднаної дії лазерного випромінювання та магнітного поля – магнітолазеротерапії. До них відноситься магніто-інфрачервоний лазерний терапевтичний апарат "Мільта".

Ефективність лазеротерапії збільшується при поєднаній дії з лікарськими речовинами, попередньо нанесеними на опромінену зону (лазерофорез).

Фотодинамічна терапія пухлин.Фотодинамічна терапія (ФДТ) використовується для видалення пухлин, доступних для опромінення світлом. ФДТ заснована на застосуванні локалізуючихся в пухлинах фотосенсибілізаторів, що підвищують чутливість тканин при їх

подальшому опроміненні видимим світлом. Руйнування пухлин при ФДТ засноване на трьох ефектах: 1) пряме фотохімічне знищення клітин пухлини; 2) пошкодження кровоносних судин пухлини, що призводить до ішемії та загибелі пухлини; 3) виникнення запальної реакції, що мобілізує протипухлинний імунний захист тканин організму.

Для опромінення пухлин, що містять фотосенсибілізатори, використовують лазерне випромінювання з довжиною хвилі 600-850 нм. У цій галузі спектра глибина проникнення світла у біологічні тканини максимальна.

Фотодинамічна терапія застосовується для лікування пухлин шкіри, внутрішніх органів: легенів, стравоходу (при цьому до внутрішніх органів лазерне випромінювання доставляється за допомогою світловодів).

Використання лазерного випромінювання у хірургії

У хірургії високоінтенсивні лазери використовуються для розтину тканин, видалення патологічних ділянок, зупинки кровотечі, зварювання біотканин. Вибираючи належним чином довжину хвилі випромінювання, його інтенсивність та тривалість дії, можна отримувати різні хірургічні ефекти. Так, для розрізання біологічних тканин використовується сфокусований промінь безперервного 2 -лазера, що має довжину хвилі λ = 10,6 мкм, потужність 2х10 3 Вт/см 2 .

Застосування лазерного променя в хірургії забезпечує вибіркову та контрольовану дію. Лазерна хірургія має низку переваг:

Безконтактність, що дає абсолютну стерильність;

Селективність, що дозволяє вибором довжини хвилі випромінювання дозовано руйнувати патологічні тканини, не торкаючись оточуючих здорових тканин;

Безкровність (за рахунок коагуляції білків);

Можливість мікрохірургічних впливів завдяки високому ступеню фокусування променя.

Вкажемо деякі галузі хірургічного застосування лазерів.

Лазерне зварювання тканин.З'єднання розсічених тканин є необхідним етапом багатьох операцій. На малюнку 31.9 показано, як зварювання одного зі стволів великого нерва здійснюється в контактному режимі з використанням припою, який

Рис. 31.9.Зварювання нерва за допомогою лазерного променя

краплями з піпетки подається за місцем лазіння.

Руйнування пігментованих ділянок.Лазери, що працюють у імпульсному режимі, використовуються для руйнування пігментованих ділянок. Цей метод (Фототермоліз)використовується для лікування ангіом, татуювань, склеротичних бляшок у кровоносних судинах тощо.

Лазерна ендоскопіяВикористання ендоскопії здійснило корінний переворот в оперативній медицині. Щоб уникнути великих відкритих операцій, лазерне випромінювання доставляється до місця дії за допомогою волоконно-оптичних світловодів, які дозволяють підводити лазерне випромінювання до біотканин внутрішніх порожнистих органів. При цьому значно знижується ризик інфікування та виникнення післяопераційних ускладнень.

Лазерний пробій.Короткоімпульсні лазери у поєднанні зі світловодами застосовують для видалення бляшок у судинах, каменів у жовчному міхурі та нирках.

Лазери у офтальмології.Використання лазерів в офтальмології дозволяє виконувати безкровні оперативні втручання без порушення цілісності очного яблука. Це операції на склоподібному тілі; приварювання сітківки, що відшарувалася; лікування глаукоми шляхом «проколювання» лазерним променем отворів (діаметром 50÷100 мкм) для відтоку внутрішньоочної рідини. Пошарова абляція тканин рогівки застосовується при корекції зору.

31.8. Основні поняття та формули

Закінчення таблиці

31.9. Завдання

1. У молекулі фенілаланіну різниця енергій в основному та збудженому станах становить ΔЕ = 0,1 еВ. Знайти співвідношення між заселеностями цих рівнів за Т = 300 До.

Відповідь: n = 3,5 * 10 18 .

Лазери стають все більш важливими інструментами дослідження в галузі медицини, фізики, хімії, геології, біології та техніки. При неправильному використанні вони можуть засліплювати та наносити травми (в т. ч. опіки та електротравми) операторам та іншому персоналу, включаючи випадкових відвідувачів лабораторії, а також завдати значної шкоди майну. Користувачі цих пристроїв повинні повною мірою розуміти та вживати необхідних заходів безпеки при користуванні ними.

Що таке лазер?

Слово «лазер» (LASS, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) є абревіатурою, яка розшифровується як «посилення світла індукованим випромінюванням». Частота випромінювання, що генерується лазером, знаходиться в межах або поблизу видимої частини електромагнітного спектра. Енергія посилюється до стану надзвичайно високої інтенсивності за допомогою процесу, що зветься «випромінювання лазерне індуковане».

Термін «радіація» часто розуміється неправильно, тому що його також використовують при описі. У даному контексті воно означає передачу енергії. Енергія переноситься з одного місця в інше за допомогою провідності, конвекції та випромінювання.

Існує безліч різних типів лазерів, що працюють у різних середовищах. Як робоче середовище використовуються гази (наприклад, аргон або суміш гелію з неоном), тверді кристали (наприклад, рубін) або рідкі барвники. Коли енергія подається у робоче середовище, вона перетворюється на збуджений стан і вивільняє енергію як частинок світла (фотонів).

Пара дзеркал на обох кінцях герметизованої трубки або відбиває, або передає світло як концентрованого потоку, званого лазерним променем. Кожне робоче середовище виробляє промінь унікальної довжини хвилі та кольору.

Колір світла лазера, зазвичай, виражається довжиною хвилі. Він є неіонізуючим і включає ультрафіолетову (100-400 нм), видиму (400-700 нм) та інфрачервону (700 нм - 1 мм) частину спектра.

Електромагнітний спектр

Кожна електромагнітна хвиля має унікальну частоту і довжину, пов'язану з цим параметром. Подібно до того, як червоне світло має свою власну частоту і довжину хвилі, так і всі інші кольори - помаранчевий, жовтий, зелений і синій - мають унікальні частоти і довжини хвиль. Люди здатні сприймати ці електромагнітні хвилі, але не в змозі бачити решту спектра.

Найбільшу частоту мають ультрафіолет. Інфрачервоне, мікрохвильова радіація та радіохвилі займають нижні частоти спектра. Видиме світло знаходиться у дуже вузькому діапазоні між ними.

вплив на людину

Лазер виробляє інтенсивний спрямований пучок світла. Якщо його направити, відобразити або сфокусувати на об'єкт, промінь частково поглинеться, підвищуючи температуру поверхні та внутрішньої частини об'єкта, що може спричинити зміну або деформацію матеріалу. Ці якості, які знайшли застосування в лазерній хірургії та обробці матеріалів, можуть бути небезпечними для тканин людини.

Крім радіації, що чинить тепловий вплив на тканини, небезпечне лазерне випромінювання, що справляє фотохімічний ефект. Його умовою є досить коротка, тобто ультрафіолетова або синя частини спектру. Сучасні пристрої виробляють лазерне випромінювання, вплив на людину якого зведено до мінімуму. Енергії малопотужних лазерів недостатньо для завдання шкоди, і небезпеки вони не становлять.

Тканини людини чутливі до впливу енергії, і при певних обставинах електромагнітне випромінювання, лазерне в тому числі, може призвести до пошкодження очей та шкіри. Було проведено дослідження порогових рівнів травмуючої радіації.

Небезпека для очей

Людське око більш схильний до травм, ніж шкіра. Рогівка (прозора зовнішня передня поверхня ока), на відміну від дерми, не має зовнішнього шару відмерлих клітин, що захищають від впливу навколишнього середовища. Лазерне та поглинається рогівкою ока, що може завдати їй шкоди. Травма супроводжується набряком епітелію та ерозією, а при тяжких ушкодженнях – помутнінням передньої камери.

Кришталик ока також може бути схильний до травм, коли на нього впливає різне лазерне випромінювання - інфрачервоне та ультрафіолетове.

Найбільшу небезпеку, однак, є вплив лазера на сітківку ока у видимій частині оптичного спектру - від 400 нм (фіолетовий) до 1400 нм (ближній інфрачервоний). У межах цієї області діапазону колімовані промені фокусуються на дуже невеликих ділянках сітківки. Найбільш несприятливий варіант впливу відбувається, коли око дивиться в далечінь і в нього потрапляє прямий або відбитий промінь. В цьому випадку його концентрація на сітківці досягає 100 000 разів.

Таким чином, видимий пучок потужністю 10 мВт/см2 впливає на сітківку ока з потужністю 1000 Вт/см2. Цього більш ніж достатньо, щоб спричинити пошкодження. Якщо око не дивиться вдалину, або якщо промінь відбивається від дифузної, не дзеркальної поверхні, до травм веде значно сильніше випромінювання. Лазерна дія на шкіру позбавлена ​​ефекту фокусування, тому вона набагато менше схильна до травм при цих довжинах хвиль.

Рентгенівське проміння

Деякі високовольтні системи з напругою понад 15 кВ можуть генерувати рентгенівські промені значної потужності: лазерне випромінювання, джерела якого - потужні з електронним накачуванням, а також плазмові системи та джерела іонів. Ці пристрої повинні бути перевірені у тому числі для забезпечення належного екранування.

Класифікація

Залежно від потужності чи енергії пучка та довжини хвилі випромінювання, лазери діляться на кілька класів. Класифікація заснована на потенційній здатності пристрою викликати негайну травму очей, шкіри, займання при прямому впливі променя або при відображенні від дифузних поверхонь, що відбивають. Всі комерційні лазери підлягають ідентифікації за допомогою намічених на них міток. Якщо пристрій було виготовлено вдома або іншим чином не позначено, слід отримати консультацію щодо відповідної класифікації та маркування. Лазери розрізняють за потужністю, довжиною хвилі та тривалістю експозиції.

Безпечні пристрої

Пристрої першого класу генерують низькоінтенсивне лазерне випромінювання. Воно не може досягти небезпечного рівня, тому джерела звільняються від більшості заходів контролю чи інших форм спостереження. Приклад: лазерні принтери та програвачі компакт-дисків.

Умовно безпечні пристрої

Лазери другого класу випромінюють у видимій частині спектра. Це лазерне випромінювання, джерела якого викликають у людини нормальну реакцію неприйняття надто яскравого світла (миготливий рефлекс). При дії променя людське око моргає через 0,25 с, що забезпечує достатній захист. Однак лазерне випромінювання у видимому діапазоні здатне пошкодити око при постійному впливі. Приклади: лазерні покажчики, геодезичні лазери.

Лазери 2а-класу є пристроями спеціального призначення із вихідною потужністю менше 1 мВт. Ці прилади викликають пошкодження лише при безпосередньому впливі протягом більше 1000 с за 8-годинний робочий день. Приклад: пристрої зчитування штрих-коду.

Небезпечні лазери

До класу 3а відносять пристрої, які не травмують при короткочасному впливі на незахищене око. Можуть становити небезпеку під час використання фокусуючої оптики, наприклад, телескопів, мікроскопів або біноклів. Приклади: гелій-неоновий лазер потужністю 1-5 мВт, деякі лазерні покажчики та будівельні рівні.

Промінь лазера класу 3b може призвести до травми при безпосередньому впливі або його дзеркальному відображенні. Приклад: гелій-неоновий лазер потужністю 5-500 мВт, багато дослідних та терапевтичних лазерів.

Клас 4 включає пристрої з рівнями потужності понад 500 мВт. Вони небезпечні для очей, шкіри, а також пожежонебезпечні. Вплив пучка, його дзеркального чи дифузного відбиття може стати причиною очних та шкірних травм. Мають бути вжиті всі заходи безпеки. Приклад: Nd:YAG-лазери, дисплеї, хірургія, металорізання.

Лазерне випромінювання: захист

Кожна лабораторія має забезпечити відповідний захист осіб, які працюють із лазерами. Вікна приміщень, через які може проходити випромінювання пристроїв 2, 3 або 4 класу з шкодою на неконтрольованих ділянках, повинні бути покриті або іншим чином захищені під час роботи такого приладу. Для максимального захисту очей рекомендується наступне.

• Пучок необхідно укласти в негорючу захисну оболонку, що не відображає, щоб звести до мінімуму ризик випадкового впливу або пожежі. Для вирівнювання променя використовувати люмінесцентні екрани чи вторинні візири; уникати прямого на очі.
• Для процедури вирівнювання променя використати найменшу потужність. По можливості для попередніх процедур вирівнювання використовувати пристрої низького класу. Уникати присутності зайвих відбиваючих об'єктів у зоні роботи лазера.
• Обмежити проходження променя у небезпечній зоні у неробочий час, використовуючи заслінки та інші перепони. Не використовувати стіни для вирівнювання променя лазерів класу 3b і 4.
• Використовувати інструменти, що не відображають. Деякий інвентар, що не відображає видиме світло, стає дзеркальним у невидимій області спектра.
• Не носити ювелірні вироби, що відображають. Металеві прикраси також підвищують небезпеку ураження електричним струмом.

Захисні окуляри

При роботі з лазерами 4 класу з відкритою небезпечною зоною або ризику відображення слід користуватися захисними окулярами. Тип залежить від виду випромінювання. Окуляри необхідно вибирати для захисту від відбиття, особливо дифузних, а також для забезпечення захисту до рівня, коли природний захисний рефлекс може запобігти травмам очей. Такі оптичні прилади збережуть деяку видимість променя, запобігають опікам шкіри, зменшать можливість інших нещасних випадків.

Чинники, які слід враховувати при виборі захисних окулярів:

• довжина хвилі або область спектра випромінювання;
• оптична щільність за певної довжини хвилі;
• максимальна освітленість (Вт/см2) або потужність пучка (Вт);
• тип лазерної системи;
• режим потужності – імпульсне лазерне випромінювання або безперервний режим;
• можливості відображення - дзеркального та дифузного;
• поле зору;
• наявність коригувальних лінз або достатнього розміру, що дозволяє носити окуляри для корекції зору;
• комфорт;
• наявність вентиляційних отворів, що запобігають запотіванню;
• вплив на колірний зір;
• ударостійкість;
• можливість виконання необхідних завдань.

Оскільки захисні окуляри зазнають пошкоджень та зношування, програма безпеки лабораторії повинна включати періодичні перевірки цих захисних елементів.

Людини – це промисловість, медицина, наукові дослідження, моніторинг стану довкілля та інших. Лазерне випромінювання (ЛИ), як та інші види випромінювань, надають несприятливий вплив на організм людини. Безперервно випромінюючі лазери створюють інтенсивність близько $10$ Вт/см кв, а цього цілком достатньо, щоб розплавити та випарувати будь-який матеріал. Інтенсивність випромінювання при генерації коротких імпульсів досягає іноді більше $10$ Вт/см кв. Щоб уявити цю величину, слід зазначити, що поблизу поверхні Землі інтенсивність сонячного світла становить лише $0,1$…$0,2$ Вт/см кв. ЧИ є оптичним когерентним випромінюванням, яке має високу спрямованість та велику щільність енергії.

Випромінювання формується в активному середовищі, яке є головним елементом лазера і, щоб воно утворилося необхідно:

1. Світло нелазерних джерел;
2. Розряд електрики у газах;
3. Хімреакції;
4. Бомбардування електричним пучком та інші методи.

Оптичний резонатор утворюють дзеркала, між якими розташовується активне середовище, вона може представляти твердий матеріал - скло, пластмасу, рубіни - може бути представлена ​​напівпровідниками, рідиною з органічними барвниками, газом та ін Лазери можуть бути імпульсної та безперервної дії.

За своїми фізико-технічними параметрами лазери класифікуються:

1. Конструктивне виконання:

   • Стаціонарні лазери;
   • Лазери пересувні;
   • Відкриті лазери;
   • Закриті лазери.

2. Потужність випромінювання:

   • Лазери надпотужні;
   • Потужні лазери;
   • Лазери середньої потужності;
   • Малопотужні лазери.

3. Режим роботи:

   • Лазери безперервного режиму;
   • Імпульсні лазери;
   • Імпульсні лазери з модульованою добротністю.

4. Спосіб відведення тепла:

   • Лазери із природним охолодженням;
   • Лазери із примусовим охолодженням водою;
   • Лазери із примусовим охолодженням повітрям;
   • Лазери із примусовим охолодженням спеціальними рідинами.

5. Призначення:

   • Технологічні лазери;
   • Лазери спеціальні;
   • Лазери дослідні;
   • Лазери унікальні.

6. Метод накачування:

   • Накачування хімічним збудженням;
   • Накачування пропусканням високочастотного струму;
   • Пропускання імпульсного струму;
   • Пропускання постійного струму;
   • Накачування імпульсним світлом;
   • Накачування постійним світлом.

7. Довжина генерованої світлової хвилі:

   • Інфрачервоні лазери;
   • Лазери видимого світла;
   • Ультрафіолетові лазери;
   • Рентгенівські лазери;
   • Субміліметрові лазери.

8. За активним елементом:

   • Газодинамічні лазери;
   • Твердотільні лазери;
   • Напівпровідникові лазери;
   • Лазери рідинні;
   • Лазери газові.

Лазерне випромінювання та організм людини

Всі лазери, виходячи зі ступеня їхньої небезпеки для працюючих, ділять на 4 класи:

1. Не представляють для шкіри людини та її очей небезпеки випромінювання;
2. Як пряме, і дзеркально відбите випромінювання становить велику небезпеку очей;
3. Всі три випромінювання - пряме, дзеркально відображене і дифузно відображене - на відстані $ 0,1 $ м від поверхні, що відображає, становить небезпеку. Є також небезпека опромінення шкіри;
4. Небезпека дифузно відбитим випромінюванням на відстані $ 0,1 $ м від поверхні, що дифузно відображає.

В організмі людини лазерне випромінювання може спричинити патологічні зміни, розлад органів зору, ЦНС та вегетативної системи. Лазерне випромінювання негативно впливає на внутрішні органи людини – печінку, нирки, спинний мозок та ін. основний патофізіологічний ефект опромінення.

Лазери $II$, $III$, $IV$ класів обов'язково маркують знаками лазерної небезпеки і постачають сигнальними пристроями протягом усього періоду роботи. Щоб випромінювання не поширилося межі оброблюваних матеріалів $III$ і $IV$ клас лазерів оснащують спеціальними екранами. Для їх виробництва використовують вогнестійкий, світло, що не плавиться, поглинаючий матеріал. Управління такими лазерами дистанційне.

Для лазерного випромінювання встановлено гранично допустимі рівні. Визначено ці рівні з урахуванням області спектру окремо для очей та шкіри. Ті, хто працює з лазером, повинні проходити як попередній, так і щорічний медичний огляд. Для лазерів $II$…$IV$ класів працівники повинні використовувати індивідуальний захист очей, а для класу $IV$ – захисні маски. Залежно від довжини хвилі випромінювання скла захисних окулярів можуть бути безбарвними або помаранчевими, синьо-зеленими кольорами.

Усі небезпеки лазерного випромінювання ділять на первинні– лазерна установка та вторинні– у процесі взаємодії лазерного випромінювання та мішені.

1. Первинні фактори шкідливості:

   • Пряме лазерне випромінювання;
   • Електрична напруга;
   • Світлове випромінювання;
   • Акустичний шум;
   • Вібрація допоміжного обладнання;
   • Гази, що забруднюють повітря, що виділяються із вузла установки;
   • Рентгенівське випромінювання при напрузі вище $15$ кВ.

2. Вторинні фактори шкідливості:

   • Відбите лазерне випромінювання;
   • Аеродисперсні системи;
   • Акустичні шуми;
   • Випромінювання плазмового факелу.

Нормування лазерного випромінювання

До нормування лазерного випромінювання існує два науково обґрунтовані підходи:

1. Першийстосується шкідливих ефектів тканин або органів безпосередньо в місці опромінення;
2. Другийпідхід стосується змін систем, що виявляються, і органів, які не піддавалися безпосередньому впливу.

В основі гігієнічного нормуваннялежать критерії біологічної дії.

Виходячи з цього, діапазон лазерного випромінювання розділили на області:

1. Область ультрафіолету - від $ 0,18 $ - $ 0,38 $ мкм;
2. Видима область - $ 0,38 $ - $ 0,7 $ 5 мкм;
3. Інфрачервона ближня область - $ 0,75 $ - $ 1,4 $ мкм;
4. Інфрачервона дальня область – понад $1,4$ мкм.

Зауваження 2

Обґрунтування гігієнічних нормативів утруднено з тієї причини, що діапазон довжин хвиль широкий, параметри лазерного випромінювання та біологічні ефекти різноманітні. На експериментальну та клінічну перевірку потрібен час і засоби, тому для уточнення та розробки гранично допустимих рівнів використовують математичне моделювання.

Математичні моделі, безумовно, враховують характер розподілу енергії та абсорбційні характеристики опромінюваних тканин. При визначенні та уточненні ПДУ чи використовувався метод математичного моделювання основних фізичних процесів. Він увійшов в останню редакцію санітарних норм та правил влаштування та експлуатації лазерів – БНіП № 5804-91.

Розроблені норми враховували результати наукових досліджень та основних положень документів:

1. СаНіП пристрої та експлуатації лазерів № 2392-8 1;
2. Стандарт ПЕК (перше видання, $ 1984 $ р.);
3. Зміни до стандарту Міжнародної електротехнічної комісії ($1987 $р., публікація $825$).

Ці норми підлягають застосуванню і це засвідчено Листом Росспоживнагляду від $16$.$05$.$2007$ № 0100/4961-07-32 . Гранично допустимі рівні лазерного випромінювання встановлюють правила № 5804-91 .

Вони ж встановлюють вимоги щодо:

1. пристроїв та експлуатації лазерів;
2. Виробничих приміщень, розміщення обладнання та робочих місць;
3. Вимог до персоналу;
4. стани виробничої сфери;
5. застосування засобів захисту;
6. Медичний контроль.

лазер безпека випромінювання захист

Дія лазерів на організм залежить від параметрів випромінювання (потужності та енергії випромінювання на одиницю опромінюваної поверхні, довжини хвилі, тривалості імпульсу, частоти проходження імпульсів, часу опромінення, площі опромінюваної поверхні), локалізації впливу та анатомо-фізіологічних особливостей опромінених об'єктів.

Лазерне випромінювання є видом електромагнітного випромінювання, що генерується в оптичному діапазоні довжин хвиль 0,1 ... 1000 мкм. Відмінність його від інших видів випромінювання полягає в монохромності, когерентності та високого ступеня спрямованості. Завдяки малій розбіжності променя лазера щільність потоку потужності може досягати 1016...1017 Вт/м 2 .

Ефекти впливу (тепловий, фотохімічний, ударно-акустичний та ін.) визначаються механізмом взаємодії лазерного випромінювання з тканинами і залежать від енергетичних та часових параметрів випромінювання, а також від біологічних та фізики – хімічних особливостей опромінених тканин та органів.

Лазерне випромінювання становить особливу небезпеку для тканин, які максимально поглинають випромінювання. Порівняно легка вразливість рогівки та кришталика ока, а також здатність оптичної системи ока багаторазово збільшувати щільність енергії (потужність) випромінювання видимого та ближнього інфрачервоного діапазону (780<л<1400 нм) на глазном дне по отношению к роговице делают глаз наиболее уязвимым органом.

При пошкодженні з'являється біль в очах, спазм повік, сльозотеча, набряк повік та очного яблука, помутніння сітківки, крововилив. Клітини сітківки після пошкодження не відновлюються.

Ультрафіолетове випромінювання викликає фотокератит, середньохвильове інфрачервоне випромінювання (1400<л<3000 нм) может вызвать отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК - излучение (3000<л<10 6 нм) - ожог роговицы.

Пошкодження шкіри може бути спричинене лазерним випромінюванням будь-якої довжини хвилі в спектральному діапазоні 180...100000 нм. Характер ураження шкіри аналогічний термічним опікам. Ступінь тяжкості пошкодження шкіри, а в деяких випадках і всього організму залежить від енергії випромінювання, тривалості впливу, площі ураження, її локалізації, додавання вторинних джерел впливу (горіння, тління). Мінімальне пошкодження шкіри розвивається за щільності енергії 1000…10000 Дж/м 2 .

Лазерне випромінювання далекої інфрачервоної області (>1400 нм) здатне проникати через тканини тіла на значну глибину, уражаючи внутрішні органи (пряме лазерне випромінювання).

Довготривала хронічна дія дифузно відбитого лазерного випромінювання нетеплової інтенсивності може викликати неспецифічні, переважно вегетативно - судинні порушення; функціональні зрушення можуть спостерігатися з боку нервової, серцево-судинної системи, залоз внутрішньої секреції. Працюючі скаржаться на головний біль, підвищену стомлюваність, дратівливість, пітливість.

Біологічні ефекти, що виникають при впливі лазерного випромінювання на організм людини, поділяються на дві групи:

Первинні ефекти - органічні зміни, що виникають безпосередньо в тканинах, що опромінюються;

Вторинні ефекти - неспецифічні зміни, які у організмі у відповідь опромінення.

Найбільш схильний до ураження лазерним випромінюванням очей людини. Сфокусований на сітківці кришталиком ока лазерний промінь матиме вигляд малої плями з ще більш щільною концентрацією енергії, ніж випромінювання, що падає на око. Тому потрапляння лазерного випромінювання в око небезпечне і може спричинити пошкодження сітчастої та судинної оболонок з порушенням зору. При малих щільностях енергії відбувається крововилив, а при великих – опік, розрив сітчастої оболонки, поява бульбашок ока у склоподібному тілі.

Лазерне випромінювання може спричинити також пошкодження шкіри та внутрішніх органів людини. Пошкодження шкіри лазерним випромінюванням схоже на термічним опіком. На ступінь ушкодження впливають як вхідні характеристики лазерів, і колір, і ступінь пігментації шкіри. Інтенсивність випромінювання, що викликає пошкодження шкіри, набагато вища за інтенсивність, що призводить до пошкодження ока.

Біологічна дія випромінювань лазерів залежить від низки чинників: потужності випромінювання, довжини хвилі, характеру імпульсу, частоти проходження імпульсів, тривалості опромінення, величини опромінюваної поверхні та інших. Можна виділити термічне і нетермічне, місцеве і загальне дію випромінювання.

Термічний ефект для лазерів безперервної дії має багато спільного із звичайним нагріванням. Під впливом лазерів, що працюють в імпульсному режимі в тканинах, що опромінюються, відбувається швидке нагрівання і миттєве закипання рідких середовищ, що, в кінцевому рахунку, призводить до механічного пошкодження тканин. Нетермічна дія в основному зумовлена ​​процесами, що виникають внаслідок вибіркового поглинання тканинами електромагнітної енергії, а також електричним та фотохімічним ефектами.

У характері впливу лазерного випромінювання на організм людини можна виділити два ефекти: первинний і вторинний.

Первинні ефекти виникають у вигляді органічних змін в тканинах, що опромінюються (око, шкіра). Потрапляючи в око, енергія лазера абсорбується пігментними елементами і протягом дуже короткого часу підвищує температуру до високих рівнів, викликаючи термокоагуляцію прилеглих тканин - хоріоретинальний опік.

Термічні порушення супроводжуються ушкодженнями сітківки оболонки ока. Особливо небезпечні пошкодження центральної ямки області сітківки як важливішої у функціональному відношенні. Пошкодження цієї галузі можуть призвести до глибоких та стійких порушень центрального зору.

Лазерне випромінювання може спричинити пошкодження шкіри. Ступінь впливу визначається як параметрами випромінювання лазера, і пігментацією шкіри, станом кровообігу. Ушкодження шкіри нагадують термічний опік, який має чіткі межі, оточені невеликою зоною почервоніння.

Вторинні ефекти – неспецифічні зміни, що виникають в організмі як реакція випромінювання. При цьому можливі функціональні розлади центральної нервової та серцево-судинної системи, неврози астенічного типу, патологія вегетативно-судинної системи у вигляді вегетативно-судинних дисфункцій та астеновегетативних синдромів.

Серцево-судинні розлади можуть виявлятися судинною дистонією за гіпотонічним або гіпертонічним типом, порушенням мозкового кровообігу. У картині периферичної крові виявляється незначне зниження гемоглобіну, збільшення еритроцитів, ретикулоцитів, зменшення кількості тромбоцитів. Можливі зміни ліпоїдного, вуглеводного та білкових обмінів та ін.

Для забезпечення безпеки роботи на лазерних установках необхідно виконувати вимоги до технологічних процесів, розміщення обладнання та організації робочих місць:

1. Повинне бути забезпечене дистанційне керування під час обслуговування установок із лазерами IV класу.

2. У технологічних процесах, як правило, повинні застосовуватися лазерні установки закритого типу, щоб унеможливити опромінення персоналу.

3. Необхідно обмежувати лазерно-небезпечну зону або екранувати пучок випромінювання. За допомогою вогнестійкого світлопоглинаючого матеріалу.

4. У конструкції лазерних установок передбачають захист працюючих від електромагнітних хвиль, радіочастот та іонізуючої радіації.

5. Лазери маркують знаком лазерної небезпеки відповідно до чинного стандарту.

Для безпечної експлуатації лазерів важливо, щоб приміщення, в яких вони розміщуються, відповідали гігієнічним вимогам:

1. Лазери IV класу потрібно розміщувати в окремих приміщеннях, влаштування яких та їх внутрішнє оздоблення повинні відповідати вимогам санітарних норм та правил влаштування та експлуатації лазерів.

2. Двері приміщень для лазерів ІІІ – ІV класів повинні бути обладнані внутрішніми замками, табло «Стороннім вхід заборонено» та знаком лазерної небезпеки.

3. Природне та штучне освітлення має відповідати чинним нормам. Повітря робочої зони, виробничої зони приміщень, де експлуатуються лазери, має відповідати

гігієнічним вимогам. Якщо робота лазера супроводжується утворенням шкідливих газів, пари, аерозолів, то на робочих місцях обладнується витяжна вентиляція, яка локалізує та видаляє шкідливі продукти мс місця їх утворення.

4. На відкритих майданчиках, де розміщуються лазери, позначається зона підвищеної щільності енергії випромінювання, та встановлюються екрани, що запобігають поширенню випромінювання лазерів за межі майданчика.

5. Для запобігання ураженню прямим або дзеркально відбитим променем лазера передбачаються огородження, що виключають можливість виходу променя за межі встановлення закритого типу та можливість проникнення людини в зону проходження променя. Застосовуються блокування або затвори для захисту очей працюючого на установці, в якій система спостереження поєднана з оптичною системою. Використовуються захисні окуляри.

6. Для захисту працюючого від ураження електричним струмом використовуються різні дистанційні керування, блокування, автоматичні замикачі, механічні заземлювачі, сигналізація та захисні засоби. Всі елементи установок лазера, що знаходяться під напругою, огорожуються, а металеві корпуси установок заземлюються. Способи захисту персоналу від електромагнітних полів та шуму, а також допустимі санітарні норми, терміни контрольних вимірювань, прилади та методики цих вимірювань зазначені у відповідних розділах спеціального довідника.

7. До роботи з лазером допускаються особи, які досягли 18-річного віку. Персонал, який обслуговує лазерні установки, повинен проходити періодичні та попередні медичні огляди, обов'язковий інструктаж з безпечних методів роботи з лазерами та ін.

8. Персоналу забороняється здійснювати спостереження без засобів індивідуального захисту очей при експлуатації лазерів II - IV класів небезпеки та розміщувати у зоні лазерного пучка предмети, що викликають дзеркальне відображення випромінювання, якщо воно не пов'язане з технологічною потребою. Як засоби індивідуального захисту використовують захисні окуляри зі світлофільтрами, а при роботі з лазерами IV класу небезпеки застосовують захисні маски. Для захисту від лазерного випромінювання і під час роботи сну лазерних установках застосовують лише засоби захисту, куди є нормативно-технічна документація, затверджена у порядку.