Лазерный мир

С.Хилов, О.Головков // Журнал Фотоника, №1/61/ 2017, с: 44-51

Вопрос безопасности при работе с лазерным излучением и его решение порождает постоянные споры в среде пользователей и разработчиков лазерных приборов и услуг. Взгляды, оценки и нормативные документы на предельно допустимый уровень лазерного излучения различаются между собой.

Вопрос безопасности при работе с лазерным излучением возник с появлением первого лазера и автоматически привел к созданию довольно стройной системы взглядов, оценок и нормативов, которые в окончательном виде были сформулированы в ANSI Z-136.1–1976 и IEC-825, и дожили до нашего времени без существенных изменений, что говорит о качестве проделанной учеными работы. Но в конце 80-х некоторые отечественные умы совершили открытие «на кончике пера» – сверхострая фокусировка лазерного излучения в глазу [1], которая развела нас с прогрессивным человечеством, будем надеется, что не навсегда.
Что же такое сверхострая фокусировка? Человеческий глаз в оптическом плане можно представить как некий сложный объектив с оптической силой 50–60 дптр, состоящий из роговицы, хрусталика, стекловидного тела и входной переменной диафрагмы диаметром 1,8–7,5 мм (по некоторым данным 1–8 мм) – зрачок плюс веки (прищур), что в совокупности для простоты можно заменить идеальной линзой, забыв о поглощении, рассеянии и прочих оптических искажениях. Это и позволило ученым-теоретикам предположить, что при расположении идеальной асферической линзы оптической силой 60 дптр (реально при аккомодации на бесконечность 50 дптр) по ходу одномодового лазерного пучка с перетяжкой, находящейся на бесконечности, лазерное излучение может сфокусироваться в пятно диаметром 10 мкм. Согласно теории это так, но при соблюдении некоторых предпосылок, а именно: диаметр пучка меньше зрачка (дифракция) и действие происходит в дальней зоне z >> Lр. Для искомой фокусировки в D = 10 мкм (1) для длины волны λ = 0,5 мкм, длина полуконфокального резонатора Lp составит 1,74 м. При наблюдении с расстояния порядка z = 6–10 м диаметр входного пучка dz (2) в глаз составит 5 мм.
; , (1)
где 
θ – энергетическая расходимость по уровню 1/е2,
Fгл – фокусное расстояние глаза,
М2 – М-фактор (для TEM00 M2 = 1, гипергаусс, M2 = 5–10, FlatTop M2 = 30–40).

; dz = d0 ≈ θz, (2)
где z – текущая координата до глаза от выходного зеркала, d0 – диаметр перетяжки на выходном зеркале по уровню 1/е2. И никакая аккомодация ничего не меняет и не уменьшает диаметр пучка, попадающего на сетчатку. Реальности далеко до теории – все размеры гораздо больше.

Авторы сверхострой фокусировки лазерного излучения в глазу не придумали ничего лучшего, чем пропорционально уйти от общепринятых МДЭ, даже не обращая внимание на угловой размер Солнца при наблюдении с Земли (угловой размер Солнца 0,5°). Энергетическая плотность мощности солнечной энергии на земле Ps = 1 000 Вт/м 2, а так как глаз фокусирует излучение в пятно от 0,3 до 1,4 мкм, то возьмем плотность мощности солнечной энергии, воспринимаемой глазом, 500 Вт/м 2. При силе глаза 60 дптр на сетчатке глаза строится изображение Солнца диаметром 150 мкм. При диаметре зрачка глаза 2 мм в него проходит 1,5 мВт. Плотность мощности (3) равна 84 мВт/мм 2, или 21 мДж/мм2, при длительности экспозиции 0,25 с.
. (3)
Совершенно очевидно, что прямой взгляд на солнце в зените опасен для зрения. Если принять условие, что при фокусировке 10 мкм опасно излучение 0,1 мВт, то разрешенная плотность мощности в глаз (4) равна 1,27 Вт/мм 2. Выглядит довольно странно.
. (4)
А возможна ли такая фокусировка лазерного излучения на сетчатку глаза в реальной жизни?
В заявлениях, содержащихся в разных версиях рассуждений о лазерной безопасности г-на Желтова Г. И. [1–3], есть сообщения то о неких данных от врачей, которые на своей аппаратуре разглядели микроповреждения сетчатки глаза юстировщиков Не-Nе лазеров, то о некоем сверхопределенном эксперименте, или просто «описатки» про длину волны излучения гелий-неонового лазера [1, 2], или замечание, что «предельно допустимые энергетические параметры для лазеров 1-го, 2-го и 3-го классов отличаются адекватно различиям ПДУ-МДЭ», что ничего общего с реальностью не имеет [3]. Есть вопросы к автору теории и конечно к соавторам, которые с маниакальным усердием занимаются арифметикой и, видно, слабо разбираются в лазерных лучах, а потому предполагают повреждение сетчатки глаза от лазерных пучков He-Ne лазера, которые даже трудно заметить невооруженным глазом. Напоминаем, что данный ПДУ является результатом аппроксимации (экстраполяции) реальных результатов измерений фокусировки лазерного излучения на сетчатке глаза из области 150 мкм в область предполагаемого диаметра острой фокусировки 10 мкм [1].
Отечественные и зарубежные данные измерений 70-х и 80-х годов относятся к диапазону минимально возможных диаметров пятна на сетчатке – от 50 мкм до 150 мкм, и это реальность в подавляющем большинстве случаев.Разработчики ANSI на все ошибки еще ввели 10-кратный гигиенический запас.
Можно в реальности хотя бы приблизиться к моменту острой фокусировки? Авторы острой фокусировки предполагают, что на роль арбитра претендует субъект, глаз которого пронзает луч лазера. Очевидно, предполагается, что оптическая ось глаза, как оптического устройства, и ось лазерного луча совпадают. То есть рассматривается ситуация, когда оператор юстирует резонатор лазера с помощью коллимационного (коллиматорного [1]) метода.
Опишем стандартную технологию юстировки коллимационным методом. Для наблюдения отраженного света от дальнего зеркала нужно разъюстировать ближнее зеркало, чтобы оно не давало бликов от стенок, образующих обрамление активной среды (капилляра в газовом лазере). Далее нужно возбудить активную среду, получить поток света и обязательно воспользоваться темными (лучше защитными) очками. После выполнения юстировки глухого зеркала с помощью диоптрийной трубы переходят к юстировке выходного зеркала, которое возвращают на свое место и предварительно юстируют «на холодную» по кресту, совмещая отражение креста от зеркала с серединой видимого через разрядный канал зеркала, подсвеченного с обратной стороны резонатора. Внимание (!), если генерация не появляется, то через глухое зеркало производится ее поиск коллимационным способом в защитных очках. Это стандартная юстировка газовых лазеров видимого диапазона, что и является, собственно, предметом раздора. Такой способ юстировки применяется крайне редко и актуален в самых сложных резонаторах – одномодовых и «кривых», когда необходимо выводить на ось резонатора рабочее тело в оптимум усиления. Глаз нужен только для слежения за индикатором мощности, так как генерацию получают обычным сканированием выходного зеркала в раскачку по двум осям, до максимума. Что же в сухом остатке – миф о микроповреждении сетчатки глаза юстировщиками газовых лазеров, нарушившими технологию юстировки. И это не единственный миф.

Возьмем классический широко распространённый полуконфокальный резонатор лазера, излучение которого, как известно, для удобства в большинстве случаев выходит через плоское зеркало. При юстировке такого резонатора лазерное излучение может попасть на незащищенный защитными очками глаз юстировщика, который находится максимально близко к выходному плоскому зеркалу (20–30 мм). Перетяжка лазерного пучка полуконфокального резонатора находится на поверхности плоского зеркала. Оптическая схема облучения сетчатки глаза представлена на рисунке. 

Другие попытки нанизать глаз на видимый лазерный луч можно приравнять к членовредительству, и в реальной жизни они настолько маловероятны, что почти невозможны. Вероятность обнаружения, которое может привести к неприятным для здоровья последствиям, неким homo sapiens («посторонним В») источника с расходимостью 1 мрад антенной (глазом) с приемной диаграммой направленностью 10 угл.град. на расстоянии метров даже в невидимом варианте (тем более попасть под луч в видимом) ничтожна, порядка одной миллионной при однократном открытии глаза на 0,25 с. Более реально фокусирование на сетчатку глаза изображения рассеянного от предметов лазерного луча, но в этом случае энергетика лазерного излучения, попадающая в глаз, на несколько порядков ниже энергетики прямого лазерного луча. И тут есть своя отнюдь не простая специфика, связанная с когерентностью излучения (спеклы).
Построение попадания в глаз человека лазерного излучения, положенное в основу определения ПДУ-МДЭ, и все, что под этим подразумевалось, – очень упрощенная абстракция, и не имеет отношения к зрению (смотри соответствующую литературу по зрению). Все эти упрощения о неподвижности глазного яблока достаточно самостоятельно ужесточили нормы, которые хороши разве для окулистов-практиков и атропированного пациента в операционном станке. Необратимые повреждения глаза у человека лазером (полная потеря зрения одним глазом) – экзотика, за 40 лет наблюдения в мире имелось пять случаев – величина приемлемого риска пренебрежимо мала (десятимиллионная). У шахтеров смертность – одна десятитысячная. Напомним что ПДУ это уровень энергетического воздействия, которое вызывает повреждение нативных тканей с вероятностью 0,1%. Неприятности случаются не только с теми, кто не читал правил, но и с теми, кто не смог или не успел прочитать до конца все безрадостные тома печальных констатаций прошлого опыта.

Итак, борьба с призраками во имя здоровья или чего еще, как всегда, порождает арифметических чудовищ (не будем вспоминать про хроническое облучение – тоже отечественное заболевание). Безобидные на первый взгляд требования приводят к отнюдь не безобидным следствиям, поглощая массу энергии, где-то по-настоящему необходимой для предотвращения действительных неприятностей.
Во-первых, остаются вопросы по невидимому, но столь очевидно опасному для глаз излучению, против которого у человека нет рецепторов. Интуитивно не понятно почему для видимого диапазона (яркий свет) берут диафрагму 7 мм. Скорее всего это еще один 10-кратный запас в ПДУ.
Во-вторых, сама классификация опасности весьма условна. Например, согласно МЭК, лазер мощностью 501 мВт относится к 4-му классу опасности, а 499 мВт – к 3-му классу опасности (для сравнения: 4-й класс опасности, согласно СанПиН 5804-91 – 50 Вт [3]). Ведь речь идет только о потенциальной угрозе, и отнюдь не мило выглядит принадлежность к одному классу опасности 20 кВт невидимого луча технологического непрерывного CO2-лазера и полуваттного видимого лазера!? Понятие класса опасности указывает только на необходимость глубже анализировать лазерно-опасную зону, а не делать из этого какие-то катастрофические выводы.

По мнению же соавторов [3] СанПиН 5804-91, все предельно ясно и понятно: «К концу 80-х в СССР были получены передовые по тем временам результаты, которые объективно, а вовсе не из-за чьих-либо амбиций или по какому-то указанию свыше, оказались жестче западных нормативов. Утверждать нечто обратное – означает обвинять в недобросовестности ученых медико-биологического профиля и инженеров-практиков, потративших значительные отрезки своей жизни и достаточно крупные суммы государственных денег на создание основ ЛБ в России».

Из предъявленных на обозрение Желтовым Г. И. данных не наблюдается никаких передовых результатов [1], а вот желание оказаться «впереди Европы всей» с острой фокусировкой и неблагоприятной аккомодацией с соответствующей ей «арифметикой» налицо.

ЛИТЕРАТУРА
1. Желтов Г. И.  Как это было. Ч.5. – ЛАС, 2016, с.163,168 –170.
Zheltov G. I.  Kak jeto bylo. Сh.5. – LAS 2016, s.163,168–170.
2. Желтов Г.И и др. Вопросы лазерной офтальмологии. Гл.2. – М.: Изд. Апрель, 2013, с.15–31.
Zheltov G.I i dr. Voprosy lazernoj oftal’mologii, Gl.2. – M.: Izd. Aprel», 2013? s.15–31.
3. Рахманов Б. Н., Кибовский В. Т. – Лазер-информ, 2016, вып.21–

Источник: http://www.photonics.su/files/article_pdf/5/article_5860_63.pdf