Лазерное излучение. 2

                       Российский государственный социальный университет.

                          Факультет охраны труда и окружающей среды.

                                               Кафедра охраны труда. 
 
 
 
 
 
 

                                                        Курсовая работа

                                                по физической экологии. 

                                                   Лазерное излучение. 
 
 
 
 

                                                                                              Выполнил: Рахманкулов Олег Игоревич

                                                                     Проверил: Шмырев. В .И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                               Москва

                                                                 2011 г.

     Содержание.

     1.Введение.

     2.История  создания лазеров.

     3.Принцип действия лазеров.

     4.Лазерное  излучение.

     5.Применение  лазеров.

     6.Нормирование  лазерного излучения.

     7.Методы  защиты.

     8.Воздейсвие  на организм человека.

     9.Способы  устранения излучения.

     10.Средства  защиты

     11.Заключение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение.

  Световой луч! С давних времен человек в своих мечтах  видел в нем надежного и мощного помощника. Изобретение лазеров стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники 20века. Первый лазер появился в 1960 году , и с тех пор происходит бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных  научных и технических задач. Лазерной технике всего 30 с небольшим лет, однако лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства, непрерывно расширяется область использования лазеров в научных исследованиях - физических, химических, биологических.

Лазерный луч  становится надежным помощником строителей, картографов,

археологов, криминалистов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История создания лазера       

 Слово "лазер" составлено из начальных букв в английском словосочетании Light             Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена так фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. Поэтому историю создания лазера следует начинать с 1917 г., когда Альберт Эйнштейн впервые ввел представление о вынужденном испускании.  

   Это был первый шаг на пути к лазеру. Следующий шаг сделал советский физик В. А. Фабрикант, указавший в 1939 г. на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Идея, высказанная В. А. Фабрикантом, предполагала использование микросистем с инверсной заселенностью уровней. Позднее, после окончания Великой Отечественной войны В. А. Фабрикант вернулся к этой идее и на основе своих исследований подал в 1951 г. заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На эту заявку было выдано свидетельство, в котором под рубрикой "Предмет изобретения" было написано: "Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающейся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниями". 

    Первоначально этот способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне, а точнее в диапазоне сверхвысоких частот. В мае 1952 г. на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне. Они назвали его "молекулярным генератором". Практически одновременно предложение об использовании вынужденного испускания для усиления и генерирования миллиметровых волн было высказано в Колумбийском университете в США американским физиком Ч. Таунсом.  

    В 1954 г. молекулярный генератор, названный вскоре мазером, стал реальностью. Он был разработан и создан независимо и одновременно в двух точках земного шара - в Физическом институте имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР и в Колумбийском Университете в США. 

    Впоследствии от термина "мазер" и произошел термин "лазер" в результате замены буквы "М" (начальная буква слова Microwave - микроволновой) буквой "L" (начальная буква слова Light - свет). В основе работы, как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип - принцип, сформулированный . В. А. Фабрикантом. Появление мазера означало, что родилось новое направление в науке и технике. Вначале его называли квантовой радиофизикой, а позднее стали называть квантовой электроникой.  

   В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселенности уровней. В 1957 г. Н. Г. Басов выдвинул идею использования полупроводников для создания квантовых генераторов; при этом он предложил использовать в качестве резонатора специально обработанные поверхности самого образца. В том же году В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количествах водорода и гелия. В 1958 г. А. М. Прохоров и независимо от него американский физик Ч. Таунс теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне; он выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объемных, а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длинной волны излучения.  

    Таким образом, интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в СССР и США вплотную подвели ученых в самом конце 50-х годов к созданию лазера. Успех выпал на долю американского физика Т. Меймана. В 1960 г. в двух научных журналах появилось его сообщение о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Так  мир узнал о рождении первого "оптического мазера" - лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел достаточно скромно: маленький рубиновый кубик (1x1x1 см), две противоположные грани которого, имели серебряное покрытие (эти грани играли роль зеркала резонатора), периодически облучались зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая змеей охватывала рубиновый кубик. Генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика.  

   В том же 1960 г. американскими физиками А. Джавану, В. Беннету, Э. Эрриоту удалось получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так родился первый газовый лазер, появление которого было фактически подготовлено экспериментальными исследованиями В. А. Фабриканта и Ф. А. Бутаевой, выполненными в 1957 г. 

    Начиная с 1961 г., лазеры разных типов (твердотельные и газовые) занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. В 1962-1963 гг. в СССР и США одновременно создаются первые полупроводниковые лазеры. 
 
 

Принцип действия лазеров

Чтобы понять принцип  работы лазера, нужно более внимательно  изучить процессы поглощения и излучения  атомами квантов света. Атом может  находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E₁, E₂ и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны.    Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10^–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10^–3 с. Такие уровни называются метастабильными. Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях. Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов . Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными. В 1916 году  А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.  
 
 

   Лазер (от английского Lighting amplification by stimulated emission of radiation) - устройство, предназначенный для выработки и усиления электромагнитной энергии оптического диапазона частот с использованием процесса управляемой индукционной эмиссии. Он работает на принципе индуцированного излучения, получаемого при оптической накачке (например, воздействием импульсов света) термически неравновесной (активной) среды, в качестве которой служат диэлектрические кристаллы, стекло, газы, полупроводники и плазма.

     Отдельные атомы таких материалов при попадании  на них фотона обладают свойствами перехода с верхнего энергетического  уровня на нижний уровень с испусканием  двух фотонов, индуцированных с той  же частотой, поляризацией и направлением распространения.

     Примером  может служить рубиновый оптический квантовый генератор, в котором  рабочим телом является рубин. Мощность в импульсе составляет около 100 МВт  при мощности на возбуждение около 20 кВт/см³, а температура, создаваемая лазерным пучком, может достигать 10¹⁵К (примерно в 10¹¹ раз больше температуры Солнца).

     Существуют  и другие виды лазеров с твердым  телом, например из ниодимового стекла, флюоритита кальция с примесью атомов таких редкоземельных элементов, как диспрозий, самарий и пр. (длина волны излучения равна 1,06 мкм), или газовые лазеры, например гелий – ниодимовые лазеры (длина волны излучения равна 632,8 нм; 1,15 и 3,39 мкм) и др.

     В процессе изготовления, испытания и  эксплуатации лазерных изделий на обслуживающий  персонал могут воздействовать физические, химические и психофизиологические опасные и вредные факторы.

     К физическим факторам относятся:

• Лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или диффузно отраженное);
• Высокое напряжение в цепях управления и источниках электропитания лазера (лазерных установок);
• Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации от импульсных ламп накачки или кварцевых газоразрядных трубок в рабочей зоне;
• Повышенная яркость света от импульсных ламп накачки и зоны взаимодействия лазерного излучения с материалом мишени;
• Повышенный шум и вибрация на рабочем месте, возникающие при работе лазера (лазерной установки);
• Повышенный уровень ионизирующего рентгеновского излучения от газоразрядных трубок и др. элементов, работающих при анодном напряжении более 5 кВ;
• Повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧ – и СВЧ – диапазонов в рабочей зоне;
• Повышенный уровень инфракрасной радиации в рабочей зоне;
• Повышенная температура поверхностей оборудования;
• Взрывоопасность в системах накачки лазеров;
• Возможность взрывов и пожаров при попадании лазерного излучения на горючие материалы.

     К химическим факторам относятся:

• Загрязнение воздуха рабочей зоны продуктами взаимодействия лазерного излучения с мишенью и радиолиза воздуха (озон, окислы азота и др);
• Токсические газы и пары от лазерных систем с прокачкой хладагентов и др.

       Психофизиологические факторы – это:

• Монотония, гипокинезия, эмоциональная напряженность, психологический дискомфорт;
• Локальные нагрузки на мышцы и кисти предплечья; напряженность анализаторных функций (зрение, слух).

     Таблица 1

       Наличие опасных и вредных  факторов в зависимости от  класса лазера (классы лазеров  приведены в табл. 1) приведено  в табл. 2.

     Таблица 2

Лазерное  излучение в медицине. Медицинское применение Л. и. обусловлено как термическими, так и нетермическими эффектами. В хирургии Л. и. используют в качестве «светового скальпеля». Его преимущества — стерильность и бескровность операции, а также возможность варьирования ширины разреза. Бескровность операции связана с коагуляцией белковых молекул и закупоркой сосудов по ходу луча. Этот эффект отмечается даже при операциях на таких органах, как печень, селезёнка, почки и др. По мнению ряда исследователей, послеоперационное заживление при лазерной хирургии идёт скорее, чем после применения электрокоагуляторов. К недостаткам лазерной хирургии следует отнести некоторую ограниченность движений хирурга в операционном поле даже при использовании светопроводов различной конструкции. В качестве «светового скальпеля» наиболее широко применяют СО₂-лазеры с длиной волны 10 590 Å и мощностью от нескольких вт до нескольких десятков вт.        

 В офтальмологии  с помощью лазерного луча лечат  отслоение сетчатки, разрушают внутриглазные  опухоли, формируют зрачок. На  основе рубинового лазера сконструирован офтальмокоагулятор.        

 При использовании  Л. и. в онкологии для удаления  поверхностных опухолей (до глубины  3—4 см) чаще применяют импульсные лазеры или лазеры на стекле с примесью Nd с мощностью импульса до 1500 вт. Разрушение опухоли происходит почти мгновенно и сопровождается интенсивным парообразованием и выбросом ткани из области облучения в виде султана. Чтобы предупредить разбрасывание злокачественных клеток в результате «взрывного» эффекта, применяют воздушные отсосы. Операции с применением Л. и. обеспечивают хороший косметический эффект. Перспективы использования лазерного «скальпеля» в нейрохирургии связаны с операциями на обнажённом мозге.        

 Терапия Л.  и. основана преимущественно на  нетермических эффектах и представляет  собой светотерапию с использованием в качестве источников монохроматического излучения гелий-неоновых лазеров с длиной волны 6328 Å Терапевтическое воздействие на организм осуществляется Л. и. с плотностью облучения в несколько мвт/см², что полностью исключает возможность проявления теплового эффекта. На пораженный орган или участок тела воздействуют как местно, так и через соответствующие рефлексогенные зоны и точки Л. и. применяют при лечении длительно незаживающих язв и ран; изучается возможность его применения и при др. заболеваниях (ревматоидный полиартрит, бронхиальная астма, некоторые гинекологические заболевания и т.д.). Соединение лазера с волоконной оптикой позволяет резко расширить возможности его применения в медицине. По гибкому светопроводу Л. и. достигает полостей и органов, что позволяет провести голографическое исследование   а при необходимости и облучение пораженного участка. Исследуется возможность просвечивания и фотографирования с помощью Л. и. структуры зубов, состояния сосудов и др. тканей.        

 Работа с  Л. и. требует строгого соблюдения  соответствующих правил техники  безопасности. Прежде всего необходима защита глаз. Эффективны, например, теневые защитные устройства. Следует оберегать от поражения Л. и. кожные покровы, особенно пигментированные участки. Для защиты от поражения отражённым Л. и. с возможного пути луча удаляют блестящие (зеркальные) поверхности. Предположения о возможности возникновения ионизирующего излучения при работе высокоинтенсивных лазеров не подтвердились.

Лазерное  излучение в биологии. Почти одновременно с созданием первых лазеров началось изучение биологического действия лазера и. Некоторые возможные биолого-медицинские аспекты его использования были намечены Ч. Таунсом (1962). В последующем оказалось, что возможная сфера применения Л. и. шире. Биолого-медицинские эффекты Л. и. связаны не только с высокой плотностью потока излучения и возможностью фокусировки луча на самых малых площадях, но, по-видимому, и с др. его характеристиками (монохроматичностью, длиной волны, когерентностью, степенью поляризации), а также с режимом излучения. Один из важных вопросов при использовании Л. и. в биологии и медицине — дозиметрия Л. и. Определение энергии, поглощённой единицей массы биообъекта, связано с большими трудностями. Различные ткани неодинаково поглощают и отражают Л. и. Кроме того, Л. и. в разных областях спектра оказывает не одинаковое, а подчас и антагонистическое действие на биообъект. Поэтому и невозможно ввести при оценке эффекта лазера и. коэффициент качества. Характер эффекта лазера. и. определяется прежде всего его интенсивностью, или плотностью потока излучения. В случае импульсных излучателей важны также длительность импульсов и частота их следования. Из-за избирательности поглощения Л. и. биологическая эффективность может не соответствовать энергетическим характеристикам Л. и. Условно различают термические и нетермические эффекты лазера. и.; переход от нетермических к термическим эффектам лежит в диапазоне 0,5—1 вт/см². При плотностях потока излучения, превышающих указанные, происходит поглощение Л. и. молекулами воды, что приводит к их испарению и последующей коагуляции молекул белка. Наблюдаемые при этом структурные изменения аналогичны результатам обычного термического воздействия. Однако Л. и. обеспечивает строгую локализацию поражения, чему способствует сильная обводнённость биообъекта и поглощение рассеивающейся энергии в пограничных областях, смежных с облучаемой. При импульсных термических воздействиях ввиду очень короткого времени воздействия и быстрого испарения воды наблюдается так называемый взрывной эффект: возникает султан выброса, состоящий из частиц ткани и паров воды; этому сопутствует возникновение ударной волны, воздействующей на организм в целом.         

 Л. и. с  меньшей плотностью потока излучения  вызывает в биообъекте изменения,  механизм которых не полностью  выяснен. Это сдвиг в активности  ферментов, структуре пигментов,  нуклеиновых кислот и др. важных  в биологическом отношении веществ.  Нетермические эффекты Л. и.  вызывают сложный комплекс вторичных  физиологических изменений в  организме, чему, возможно, способствуют  резонансные явления, протекающие  в биосубстрате на молекулярном уровне. Нетермические эффекты Л. и. сопровождаются реакциями со стороны нервной, кровеносной и др. систем организма. Избирательность поглощения Л. и. и возможность фокусирования луча на площадях порядка 1 мкм² особенно заинтересовали исследователей внутриклеточных структур и процессов, использующих Л. и. в качестве «скальпеля», позволяющего избирательно разрушать ядро, митохондрии или др. органеллы клетки без её гибели. Как при термических, так и при нетермических воздействиях Л. и. наиболее выраженной способностью к его поглощению обладают пигментированные ткани. Прижизненное окрашивание специфическими красителями позволяет разрушать и прозрачные для данного Л. и. структуры. В установках для внутриклеточных воздействий используют Л. и. с длиной волны как видимого спектра, так и ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, в непрерывном и импульсном режимах.        

 Фотографирование  биообъектов в Л. и. с целью  получения пространственного изображения  клеток и тканей стало возможным  с созданием лазерных голографических  установок для микрофотографирования.  В связи с возможностью концентрации  энергии Л. и. на очень малых  площадях открылись новые возможности  для спектрального ультрамикроанализа отдельных участков клетки, жизнедеятельность которой при этом временно сохраняется. С этой целью коротким импульсом лазера. и. вызывают испарение вещества с поверхности исследуемого объекта и в газообразном виде подвергают спектральному анализу. Масса образца при этом не превышает долей мкг.        

 Установлено,  что ряд физиологических изменений  происходит в организме животных  под действием излучения гелий-неоновых  лазеров малой мощности. При этом  отмечаются стимуляция кроветворения,  регенерация соединительной ткани,  сдвиги артериального давления, изменения проводимости нервного  волокна и др. Как при непосредственном  облучении гелий-неоновыми лазерами  растительных тканей, так и при  предпосевном облучении семян  выявлено стимулирующее влияние лазеров. и. на ряд биохимических процессов, рост и развитие растений. Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения гологафического объёмного изображения. В астрономических телескопах, снабженных адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения, рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза(самым подходящим лазером для исследований в области термоядерных реакций, был бы лазер, использующий длины волн, лежащие в голубой части видимого спектра). Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования. В настоящее время бурно развивается так называемая лазерная связь. Известно, что чем выше несущая частота канала связи, тем больше его пропускная способность. Поэтому радиосвязь стремится переходить на всё более короткие длины волн. Длина световой волны в среднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона, поэтому посредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объёма информации. Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по оптическому волокну. Свет за счёт явления полного внутреннего отражения может распространяться по нему на большие расстояния, практически не ослабевая.

Особенности лазерного излучения 

Лазерные источники  света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими  источниками света: 

1. Лазеры способны  создавать пучки света с очень  малым углом расхождения (около  10^-5 рад).  

2. Свет лазера  обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от   обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от  друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не  испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются  самыми мощными источниками света.  В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени  продолжительностью порядка 10^-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 10¹⁷ Вт/см² 

     Нормирование  лазерного излучения

     Основными нормативными правовыми актами при  оценке условий труда являются:"Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров" № 2392-81; методические рекомендации "Гигиена труда при работе с лазерами", утвержденные МЗ РСФСР 27.04.81 г.;

     ГОСТ 24713-81 "Методы измерений параметров лазерного излучения. Классификация"; ГОСТ 24714-81 "Лазеры. Методы измерения  параметров излучения. Общие положения"; ГОСТ 12.1.040-83 "Лазерная безопасность. Общие положения"; ГОСТ 12.1.031 -81 "Лазеры. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения".

     Предупреждение  поражений лазерным излучением включает систему мер инженерно-технического, планировочного, организационного, санитарно-гигиенического характера.

     При использовании лазеров II-III классов  в целях исключения облучения  персонала необходимо либо ограждение лазерной зоны, либо экранирование  пучка излучения. Экраны и ограждения должны изготавливаться из материалов с наименьшим коэффициентом отражения, быть огнестойкими и не выделять токсических веществ при воздействии на них лазерного излучения.

     Лазеры IV класса опасности размещаются  в отдельных изолированных помещениях и обеспечиваются дистанционным  управлением их работой.

Газовые лазеры

Гелий-неоновые лазеры (HeNe) (543 нм, 632,8 нм, 1,15 нм, 3,39 нм)

Аргоновые лазеры (458 нм, 488 нм или 514,5 нм)

Лазеры  на углекислом газе (9,6 мкм и 10,6 мкм) используются в промышленности для  резки и сварки материалов, имеют  мощность до 100 кВт