Kĩ thuật an toàn laser doc

Kĩ thuật antoàn laser
Độ lợi quang học của mắtngườithư giãn đốivới một chùmtia chuẩn trực
cao,là tỉ số củadiện tích con ngươicủamắt vàdiện tích ảnh (hội tụ) trênvõngmạc,
là vàobậc 100.000. Con số này tương ứngvới 5bậc độ lớn chiếu sáng tăng từ mặt
giác mạc tới võng mạc. Cho phép quang sai trong hệ thủy tinhthể - giác mạc, và
nhiễu xạ tại mống mắt, mộtcon mắt hiệu chỉnhtốt cókhả năng hội tụ một đốm
sáng 20 micrômét lênvõng mạc. Ýnghĩa củatính hiệu quả nàycủa mắt làngaycả
một chùmlaser công suấtthấp, nếu nóchạmtới mắt,cũngcóthể được hội tụ lên
võng mạc và nhanhchóngđốt cháy một lỗ ở trong mô,làm phá hỏng vĩnh viễn dây
thần kinh thị giác. Trong trường hợp chùm laser đi vào mắt trựctiếp (nhìn trực
diện),một chùm 1 mW tạora giá trị độ rọivõng mạc vào bậc 100W/cm
2
. Hãy so
sánh, việc nhìn trực tiếp Mặt Trời tạo ra độ rọi tại võngmạc xấp xỉ 10 W/cm
2
.
Hình 3 minh họakết quả hội tụ trong mắt đối vớimột nguồn trải rộng, như
một bóng đèn thủy tinh thông thường, sovới chùm laserchuẩn trực cao có tính
chất thật sự củamột nguồnđiểm.Do sự khác biệtbản chất củacác nguồn sáng,nên
mậtđộ côngsuất tại võng mạc đối vớimột chùm laser1 mW hội tụ có thể lớn hơn
1 triệu lần so với mộtbóngđèn 100Wchuẩn.Giả sử một chùmlaser Gausshoàn
hảo, trực tiếp đi vào một con mắt không có quang sai,thì kích thước đốmgiới hạn
nhiễu xạ có đường kính 2mmtại võng mạc làkhả dĩ, so với đốm hội tụ kích thước
vài trămmmđối với nguồn trảirộng. Giá trị độ rọi (mật độ công suất) tương ứng
tại võng mạc, như chỉ rõ trong hình 3, xấp xỉ 10
8
và 10
2
W/m
2
.

Có thể nghĩ rằng một đốm cháytrên võng mạc đo đượcthậm chí 20mm sẽ
khôngánh sáng đáng kể đến thị lực, vì võng mạc chứa hàngtriệu tế bàohìnhnón.
Tuy nhiên, các thươngtổn võng mạc thực tế thườnglớn hơn đốm hộitụ cơ bản do
các hiệu ứng âm và nhiệt thứ cấp, và tùy thuộc vào vị trí, thậmchí mộtthương tổn
cực kì nhỏ đối vớivõng mạc cũngcó thể gây nguyhiểm nghiêm trọng chothị lực.
Trongtrường hợpphơi sáng tệ hại nhất, với con mắtthư giãn (hội tụ tại vôcùng)
và chùm laser đi vào mắt trực tiếp hoặc từ một sự phản xạ phản chiếu, thìchùm tia
được hội tụ đến kíchthướcđốm nhỏ nhất của nó trên võngmạc. Nếu sự phá hủy
xảy ra tại nơi dây thần kinhthị giác đi vào mắt thì kếtquả sẽ là sự mất hoàntoàn
thị lực. Sự cháyvõng mạc rất thường xảy ratại khuvực nhìn chính giữa, tức điểm
vàng, có kích thước ngang chừng2mm và dọc 0,8mm.Vùng chínhgiữacủa điểm
vàng, gọi là hốcgiữa, có đường kính chỉ khoảng150 mmvà mang lại sự nhìn sắc
nét cao và cảm giác màu sắc. Các vùng võng mạc nằm ngoài khu vực nhỏ xíu này
cảm nhận ánh sáng vàphát hiệnchuyển động,cấu thành sự nhìn ngoại biên, nhưng
khônggóp phần cho sự nhìn chi tiết. Do đó, sự phá hủy điểm vàng,mặc dù cấu trúc
này chỉ chiếm khoảng 3-4% diện tích võng mạc, có thể làm mấttứcthời sự nhìn tốt.
Dải bướcsóngtruyền qua các cấutrúcbên ngoài của mắt và đi tớivõngmạc
gồm toàn bộ phổ ánh sángkhả kiến từ màu lam (400nm) tới màu đỏ (700nm)và
vùng hồng ngoại gầncó bước sóng 700-1400nm(IR-A).Vì võng mạc không phản
ứng với bức xạ nằmngoài phổ khả kiến, nên không có cảm giác nàosinh ra trong
mắtkhi phơiratrước ánh sáng hồngngoại gần, kếtquả là mang lại sự rủi ro lớn
hơnnhiều đối với các laser hoạt động trongvùngphát xạ này. Mặc dù không nhìn
thấy,nhưngchùm tiavẫn hội tụ lênvõng mạc. Như đã đề cập ở trên, vìtính hội tụ
hiệu quả của mắt, nên mộtlượngtương đốinhỏ bức xạ laser cũngcó thể làm
thương tổnvõng mạc, và trongmột số trườnghợp còn gây ra hậu quả thị lực
nghiêmtrọng.Laserdạngxungphát ra cường độ cao cóthể gây ra sự xuấthuyết
khi hộitụ trong mắt, và sự phá hủy cóthể mở rộng ra khoảng cách lớn tínhtừ khu
vực hội tụ. Thương tổnvõng mạcthì không lành,và nói chung là khôngchữa được.
Sự hấp thụ trong các bộ phận khác của mắt, chủ yếu là giácmạc và thủytinh
thể, làmhạn chế sự phơi sáng cho võng mạc đối với vùng bước sóngtụ của mắt, đó

cũng có thể xem là vùng gây nguy hiểm chovõng mạc. Trong quátrình hấp thụ, các
cấu trúchấpthụ tự chúng trở thànhđối tượng bị phá hủy. Chỉ mô nàohấp thụ bức
xạ,và nhữngmô lân cận tức thời xung quanhnó, là đối tượngbị thương tổn và đa
số trường hợp pháhủy gaygắtlà do phơi ra trước bức xạ laser bênngoài vùng
bướcsóng 400-1400nmkhông cócác hiệu ứng tồn tạilâu. Giác mạc xử sự giống
như da ở chỗ nó chịu sự bồi tiếp liên tục, vàchỉ một sự phá hủyhơigay gắt làm dơ
nó cũng có thể có mộtsố ảnh hưởngđến thị lực.Đa số nguyhiểm chogiác mạc là
do bứcxạ laser trongvùngphổ hồng ngoại xa và tử ngoại.
Vì mứcđộ hội tụ cao xảy ra bên trong mắt, nên việc phơisángtrướcmột
chùmlaser kết hợp tương đối yếucóthể gây ra sự phá hủy vĩnhviễn, tứcthời. Bởi
vậy, khisử dụng một lasermạnh,mộtsự phản xạ phản chiếu (nhằm duytrì chùm
tia kếthợp)chỉ vài phầntrăm,trongmộtphần nhỏ của giây,có khả năng gây ratổn
hại cho mắt. Trái lại, khichùm tia laserbị tán xạ bởi sự phảnxạ từ một bề mặt gồ
ghề, hoặc thậm chí từ bụi bặm trongkhông khí,thì tia phảnxạ khuếch tán đi vào
mắtở góc lớn hơn. Với năng lượngchùmtia trải ratrongmột phạm vi rộng hơn,
nên tiaphản xạ có đặc trưng của một nguồn trải rộng, vàtạora ảnh lớn hơn trên
võng mạc, so vớisự hội tụ tập trungtạo ra bởi một nguồn điểm (xemhình3). Sự
khuếch tán của chùmtia theo kiểu nàylàm giảm nguy cơ phá hỏngmắt, không chỉ
bằngviệc làm tăng kích thước nguồnvàlàm giảm mật độ công suất,mà còn phá vỡ
sự kết hợp củachùm tia khá tốt.
Khả năngphá hỏng mắt cóthể phânloại đối với bước sóng laservà cấu trúc
mắtbị ảnh hưởng, với những thương tổnlớnnhất chovõng mạc và gâyra bởi bức
xạ trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần. Sự cháy nhiệt,sự phá hủy âmhọc,
hoặc sự biến đổi quanghóa có khả năngxảy ra tùythuộc vào nănglượng hấpthụ.
Các hiệu ứng sinhhọctácđộng lên mô mắt, biểu hiệntrongnhững dải bướcsóng
khác nhau, được tóm lượcnhư sau, và đượckê trong bảng 1.
Tử ngoại B và C (200-315nm):Bề mặt giác mạchấpthụ mọi ánh sáng tử
ngoại trong vùng này, ngăn cản những bướcsóng này đi tới võngmạc. Một dạng
sừnghóa (cũng còngọi làchớp sángcủa thợ hàn) có thể để lại qua một quátrình
quanghóa làm biến tínhcác proteintrong giác mạc. Ngoài côngsuất laser, bức xạ

trong vùng này còn cóthể phátsinh từ ánhsáng bơmlaser, hoặc mộtthànhphần
ánh sáng lam từ một tương tácmục tiêu, đòi hỏi phải cảnh báothêm ngoài các
cảnh báo bởi chuẩn ANSI, chuẩn chỉ xem xét côngsuất laser. Loại tổnthươngmắt
này thườngkhôngtồn tại lâu dosự tái sinh nhanh chóng của các môgiác mạc.
Tử ngoại A (315-400nm): Giác mạc và thủy dịch cho truyềnqua vùng bước
sóng này, sau đó chúngchủ yếu bị hấp thụ bởi thủytinh thể của mắt. Sự biến tính
quanghóa củacác proteincó thể dẫntới bệnh đục nhãn mắt.
Ánh sángkhả kiếnvà hồng ngoại A(400-1400nm):Vùngphổ này thường
được gọi là vùng gâynguy hiểmcho võngmạc, do trong thựctế giác mạc, thủytinh
thể và thủy tinhdịchcủa mắt là trong suốt đối với những bướcsóngnày, và năng
lượng ánh sángbị hấp thụ trongvõngmạc. Sự phá hủy võng mạc cóthể xảy ra qua
quá trìnhnhiệt hoặc quang hóa.Sự phá hủy quanghóa đối vớicác tế bào cảm
quangcủa võng mạc có thể làm giảm lượng ánhsánghoặc cảm giácmàu, và các
bướcsóng hồngngoại cóthể gây ra bệnhđục nhãnmắt ớ thủy tinhthể. Thương
tổn cókhả năng nhất khinănglượng laser bị hấp thụ đủ là mắt bị cháy nhiệt, trong
đó sự hấp thụ ánh sáng bởi cáchạt melaninvà cácbiểumô sắc tố chuyển hóa
thành nhiệt. Sự hội tụ bức xạ laserbởi giác mạcvà thủy tinh thể trong dải bước
sóng này làm khuếch đại độ rọi lên chừng100.000 lần tại võngmạc. Đối với laser
ánh sáng khả kiến công suất tương đốithấp, khả năngthươngtổn sẽ giảm bớt do
phản xạ khó chịu (mấtchừng 0,25giây) làmtránh đượcchùm tia sáng chói. Tuy
nhiên,nếu năng lượnglaserđể gây raphá hủyngắn hơn 0,25giây, thì cơ chế
phòngvệ tự nhiên nàykhônghiệu quả, hoặc không manglạibất cứ sự bảo vệ nào
cho dải hồng ngoại gần không nhìn thấy có bước sóng giữa 700và 1400nm.Laser
hoạt động ở dạngxung còn có rủi rokhác nữa do khả năngphát sóng gây sốc âm
trong mô võngmạc. Các xunglasercó thời gian dưới 10 microgiâygây racác sóng
gây sốc làm vỡ mô. Loại thươngtổn nàylà vĩnh viễnvà có thể gay gắt hơn sự cháy
nhiệt, vì sự phá hủy âm thườngảnh hưởngtới một vùng rộng hơn của võngmạc,
và yêu cầu năng lượng tạora hiệuứng thấp hơn.Bởi vậy, độ phơi sáng cực đại
được phép trong các chuẩn điều chỉnh phải giảm xuống đối vớilaser xungngắn.
Hồng ngoại Bvà hồng ngoại C (1.400 –1.000.000nm):Ở nhữngbước sóng

dài hơn 1400nm,giác mạc hấp thụ năng lượngdo thànhphần nướccủa mô và
màng nướcmắt tự nhiên, và sự tăng nhiệt độ thuđược gây ra sự biến tính của các
protein nằmgần bề mặt. Chiều sâu xâmnhập tănglên ở những bước sóng dài hơn,
và các ảnh hưởng nhiệt lên protein thủy tinh thể, ở nhiệt độ tới hạn khôngcao lắm
so với nhiệt độ cơ thể bình thường,cóthể dẫn đến sự kéo mây,thường gọi là đục
nhãnmắt hồngngoại. Ngoài việc hình thànhbệnhđục nhãnvà cháy giác mạc, bức
xạ hồng ngoại còn có thể làm tóe thủydịch, trong đó môi trường thủydịch trong
suốt bình thường của khoangphía trướcbị tổn hại vì các mạch máu bị vỡ.
Nói chung, bứcxạ laser tử ngoạivà hồng ngoại gầnbị hấp thụ tại giácmạc
hoặc thủytinh thể, và kếtquả của nóphụ thuộc vào cườngđộ và thờigianphơi
sáng.Ở cường độ cao, sự cháy nhiệt tứcthời xảy ra,còn sự phơisángthấphơn có
thể dẫn đếnbệnhđục nhãn mắttrong thời giannhiều năm.Cácmô màng kếtcủa
mắtcũng có thể bị thương tổn do phơi sánglaser, mặc dù sự pháhủy các mô màng
kết và màngsừng thườngxảyra ở các mức công suất cao hơnsovới thương tổn
võng mạc. Vì thươngtổn võng mạc tạo ranhững kết quả tức thì nghiêm trọnghơn,
nên sự tổnhạimàngsừng thườngchỉ được xemlà một mối quan tâm nghiêm
trọng đối vớicác laser hoạtđộng ở những bước sóng không tới được võng mạc (về
cơ bản làhồng ngoại xa và tử ngoại).
Nguy hiểm choda
Mốinguy hiểm laser đối với sự phơi sángdathường được xemlà kém quan
trọng hơn mối nguyhại cho mắt, mặc dù cùng vớisự tăng cườngsử dụng các hệ
laser công suất ngày càngcao, nhất là các bộ phát tử ngoại, thì lớp da không được
bảo vệ có thể phơi ra trước mức độ bứcxạ cực kìnguyhiểm trong những hệ không
được đóng kín hoàn toàn. Vì da làcơ quan rộngnhất của cơ thể, nên nó có sự rủi ro
lớn nhất đối với việc phơi sáng trước chùm laser,và đồngthờibảo vệ có hiệu quả
đa số các cơ quankháckhỏi bị phơi sáng (vớingoại lệ là mắt). Điều quantrọng là
hãy xétnhiều laser đượcthiết kế cho mục đích làm biến đổi vật liệu, như cắt hoặc
khoancác vật liệu cósứcchịu đựng lớn hơn darất nhiều. Bàn tay, cánh tay và đầu
là các bộ phận của cơ thể rất dễ bị phơi sáng tìnhcờ trước chùmtia laserkhi canh
chỉnhhoặc điều chỉnhnhững thiết bị thực nghiệm khác đang hoạt động,và nếu

chùmtia có cường độ đủ mạnh,thì sự cháynhiệt, phá hủy quanghóa, và thương
tổn âm có thể xảy ra.
Nguy hiểm lớn nhất cho dađến từ mật độ công suấtcao của chùmtia laser
và bước sóngcủa bứcxạ xácđịnh mức độ sâu của dabị phá hủy và loạithương tổn
do nómanglại. Chiều sâu xâmnhập của bức xạ laser vào dalà lớn nhấttrong vùng
bướcsóng chừng300-3000nm, đạt tới cực đại trong vùng phổ hồng ngoại A tại
khoảng 1000nm.Nếu laser cókhả năng gây phá hủy da đượcsử dụng,thì những
phòngngừa tương xứng phải được thực hiện nhằm bảo vệ da, ví như mặc áo tay
dài và manggăng taylàm từ chất liệu chịu lửathích hợp. Trong nhiều trườnghợp,
công suất laserthấphơn có thể được sử dụng cho thủ tục canhchỉnhđược yêu cầu
trong những thí nghiệm dự tính trước.
Mốinguy về điện
Mốinguy hiểm đi cùngvới các bộ phậnđiện hoặc nguồn cấpđiện cho laser
về cơ bản là giống nhaucho hầu hết các loại,và sự phòng ngừa an toànriêngcho
mỗicấu hìnhhoặc mỗi loại laserlà không cần thiết.Trong số các loại laser thiết
thực chủ yếu, như laser khí,laserchấtrắn, laser chất nhuộm, vàlaserchất bán dẫn,
trừ các loại laserbán dẫn ra thì tất cả đều yêu cầu hiệu điệnthế cao, vàthườnglà
dòngđiện cao, để tạo ra chùm tia. Cho dùlà điện thế cao được áp trực tiếp vào môi
trường laserchính hayvào đèn bơm hoặc laser bơm, thìnóvẫn có mặt tại một số
điểm tronghệ thống. Tình huống đặc biệt nguy hiểm đượctạo ra trong laser là nó
vẫn cóthể tích điện thế cao trongcác tụ điện hoặc những bộ phận khác một thời
gian lâu dài saukhilaser đã tắt.Tình huốngnày đặc biệtphổ biến ở laser xung,và
phải luôn luôn cẩn thận khi mà lớp vỏ bọc thiết bị đã bị tháo ra vì lí do gì đó.
Phương pháp an toànnhất làluôn luôn giả địnhrằng một mốihiểm họa gây sốc
đang có mặt, cho tới khi tìnhtrạngkhác đượcxác định.Nhiều lasersử dụng điện
thế cao chỉ cho đến khi phát xạ laser được thiết lập, vàrồi hoạt độngở mức điện
thế tương đương với cácdụng cụ điện giadụng, nhưng đây không phải là sự biện
hộ cho sự thiếu đề phòng thích hợp cho bất cứ dụngcụ điện nào.
An toàn laser đối vớilaserdùngtrong kínhhiển vithông dụng
Laser và các hệ thiết bị hoàn chỉnh có chứa laser phải đáp ứng những tiêu

chuẩn an toàn nhất định. Tùythuộc vào loại nguyhiểm của chúng, laser đượcyêu
cầu phải có màn chắn, khóa chuyểnđiềukhiển, hoặc những dụng cụ khác để ngăn
ngừa tổn hại.Các kí hiệu cảnhbáo đượcsử dụng tại mọi nơi trong phòngcó laser
có khả nănggây tổn hại, và tại những vị trí gầnlaser, nơi có mức độ nguyhại cao
(một số ví dụ minh họa trong hình4). Trongnhững dụng cụ chứachùm tia saocho
người khôngthể đi tới mắt người sử dụng, như máyin laservàmáy hát đĩa CD, sự
phòngngừa là không cầnthiết.
Nhiều laser trongphòng thí nghiệmcó tínhchấttươngtự như laser công
suất cao dùng trong các tổ hợp công nghiệp phát ra cùngbước sóng,và có thể yêu
cầu che chắn nhằm bảo vệ ngườiđiềukhiển. Bước sóngphátcủa một số laser được
sử dụng phổ biến được tómlược trongbảng 2.Trongtìnhhuống làm việc trong đó
khôngthể loại trừ tuyệt đối việcphơi sáng mắt trướcchùm laser,thì phải mang
kính bảo hộ.Về cơ bản thì kínhbảo hộ được thiết kế nhằm chặn lại ánhsáng tại
những bước sóngđặcbiệtphátra bởilaserđangsử dụng, còn ánh sáng truyền qua
ở những bướcsóngkhácchophép sự nhìnthích đáng.Điều quantrọng là phải có
một bộ lọc lasercho mỗi loại laser – không có loại kính bảo hộ chung nào sử dụng
được hết cho hết thảy loại laserhoặc cho hết tất cả các vạchphát xạ có thể của
laser đa bước sóng.Vì ánhsánglaser cóthể đi đếntừ bất cứ góc nào,trựctiếp hoặc
bởi sự phảnxạ từ các bề mặt, nên kính bảohộ phải chặnđượctấtcả các đường đi
có thể tớimắt.
Laser sapphire titanium phatạp (thường gọi là laserTi:sapphire) là một ví
dụ linhhoạt củaloại laserchất rắncó thể điềuhướngđược. Loại lasernày yêu cầu
bơm quang họcbằng một đènflash bêntrong hoặc mộtlaserkhác, có thể gắn bên
trong hoặc bên ngoàihệ laser chính.Vì những cấu hìnhkhácnhaucủa hệ laser
Ti:sapphire, nênviệc thiếtđặt một chuẩn phòngngừa an toàn không thể thực hiện
được. Nhữnglaser nàyhoạtđộngở bước sóngliên tục hoặc dạngxung,và tùy
thuộcvào hệ cung cấp bơmquanghọc, các yêu cầu điện và mối nguyhiểm điện
thayđổi đángkể. Bước sóngđiều hướng của laser sapphire titanium phatạp
thường biến thiên từ xấp xỉ 700 tới 1000nm, và do đó các tiêu chuẩn phòng ngừa
an toàn đối với những laserphát rabức xạ có khả năng đi tới võng mạc (ngắn hơn

1400nm) phảiđượctuânthủ. Vì bướcsóng phát biến thiên,nên đòi hỏi phải có
nhiều hơn một loại kínhbảo hộ, vàngười dùng phải chắc chắn rằng dụng cụ chặn
chùmtia phải thíchhợp với (những) bước sóngđượcphát ra.Mộtxungngắncông
suất cao phát ratrong hoạtđộng dạng xungcó thể làm hỏng mắt vĩnh viễn, và sự
phòngngừa phải được thực hiện đảm bảo rằngmọi đường đi khả dĩ tới mắt đềubị
chặn,cả đường đi trực tiếp và ngoại biên.
Điều quantrọng làphải nhận thấy rằng sự phátxạ tản lạctừ laser bơm trong
một số cấu hình laserTi:sapphire còn nguy hiểmhơn chùmlaser chính,vànếu có
khả năng ánhsáng nàyđi tớikhu vựclàm việc, thì phải sử dụng phươngtiện bảo
vệ mắt chặn lại bước sónglaser bơm.Nếu laserbơmđượcdùnglà riêng biệt với
laser mẹ, thì phải yêu cầu phòng ngừathêm nhằm loạitrừ sự phơi sáng cóthể xảy
ra vớiánh sángtản lạc do việc ghépđôi hailaser. Trong hệ bơm bằng đèn flash,
điện thế cao áp vào đèn cóthể vẫn còn vì tụ tích điệntrongbộ nguồn cả khi đơn vị
đã tắt, và sự phòng ngừa là cần thiết nhằmngăn chặn sự sốc điện khitiếnhành bão
dưỡnglaser.Các bước sónghồng ngoại gầnphát rabởi loại lasernày có thể đặc
biệt nguyhiểm, bởi vì mặc dù chùm tia là khôngnhìnthấy hoặc có thể nhìnthấy
mờ nhạt ở gần đầu700nm củadải phát xạ,nhưng mộtlượng lớnánhsáng hồng
ngoại sẽ hội tụ trên võng mạc.
Việc pha tạp crôm của những chấttrạng tháirắnkhácnhauchothấy triển
vọng tolớn trong sự phát triển củacác laser điều hướng mới, và khinhững laser
này ngày càng dùngphổ biến hơn,thì những thủ tục an toàn đốivới mỗi loại phải
được xét đến.Crôm pha tạp liti strontinhôm florit (Cr: LiSAF)hứa hẹn sẽ là chất
hoạt tínhlaserbơmdoide,vàđược dùngthay thế cho laserTi:sapphire trongmột
số ứng dụng hiểnvi nhânquang. Vớibước sóngphát xạ điều hướngtrong vùng
hồng ngoại, yêu cầu phòng ngừa an toàn tương tự như đối với laser Ti:sapphire.
Tuy nhiên, vì laserphatạp crômlà sảnphẩm mới được phát triểntươngđối gần
đây, nên ngườidùngcòn e ngại rằng cácbộ lọc và kính bảo hộ có thể không sẵn
sàng đốivớinhững bướcsóng phát xạ đặcbiệt của chúng.