Kĩ Thuật An Toàn Khi Sử Dụng Nguồn Sáng Laser

Chương 3
KĨ THUẬT AN TOÀN KHI SỬ DỤNG
NGUỒN SÁNG LASER
3.1 Các chi tiết đặc biệt dùng trong kĩ thuật laser.
Các laser công suất cao có thể tự bị phá hủy, các tinh
thể, các gương và các chi tiết quang chịu bức xạ laser có
mật độ công suất cao dễ bị hỏng.
Vì tuổi thọ các laser có ý nghĩa kinh tế lớn nên cần chú ý
cách vận hành và bảo dưỡng.


• Xung laser công suất cao của laser gây nên hỏng hóc thanh
hoạt chất, gương và các chi tiết quang nhất Khi bức xạ xung
dài ít bị phá hủy hơn..
• Sự phá hủy các vật liệu quang xảy ra với các giá trị ngưỡng
công suất. Khi lớn hơn ngưỡng ,phá hủy do sự đốt nóng làm
chảy và cháy bay hơi
. Ví dụ: Laser CO2 với mật độ công suất lớn hơn 108W/cm2 phá hủy tinh
thể clo rua Kali làm hỏng thấu kính.
• Ngưỡng phá hủy phu thuộc vào bản chất vật liệu, khuyết tật,
tạp chất và trạng thái bề mặt sau khi gia công lần cuối


Các nguyên nhân gây nên sự phá hỏng vật liệu:
•
•
•
•

Sự không đồng nhất của các xung laser.
Sự tồn tại các phần tử hấp thụ trong vật liệu.

Hiện tượng tự tiêu tụ.
Sự tự tiêu tụ: sóng laser làm thay đổi chiết suất vật liệu các chùm tia
laser tự thu hẹp đường kính.

• Sự đánh thủng vật liệu:
-do điện tử của vật liệu bị sóng điện từ trường cuả laser kích thích
chuyển lên mức năng lượng cao và gây lên sự đánh thủng.
- Ngưỡng đánh thủng do khuyết tật, vết xước bề mặt thấp hơn trong
lòng vật liệu do nó nảy sinh sự tập trung sóng điện từ trường tại các
điểm đó.


• Gương laser
• + Gương kim loại: dùng bạc, vàng,gốm đánh
bóng… có hệ số phản xạ không quá 90 ÷ 95%
thường chỉ với laser rắn, bán dẫn và laser khí có
bước sóng dài.
• + Gương điện môi nhiều lớp: có tính chất chọn lọc
và hệ số phản xạ cao, bảo đảm hệ số phẩm chất của
buông cộng hưởng cao và chịu được mật độ năng
lượng bức xạ lớn thời gian làm việc dài:


• Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng giao thoa.
• Cấu tạo: Gồm rất nhiều lớp điện môi trong suốt có
hệ số khúc xạ n1 và n2 với chiều dày quang học bằng
một phần tư bước sóng bức xạ:

n1
λ/4

n2

Hình 3.1 Gương nhiều lớp điện môi


Các chất liệu để chế tạo gương laser nhiều lớp:
Vật liệu

Chiết xuất(λ=0,7µ)

Vùng phổ truyền
qua(µm)


Thông số quan trọng của gương: mật độ công suất tới
hạn mà gương chịu được

Loại gương

Số lớp

Công suất tới
hạn(Mw/cm2)

λ(µm)


• Trong laser công suất cao ngoài lớp điện môi người
ta còn sử dụng dạng các tấm có chiết suất cao như

saphia được đánh bóng và mài song song. Sự phản
xạ do hiệu ứng giao thoa xảy ra. Hệ số phản xạ được
tính bằng biểu thức:

Số tấm
Hệ số phản xạ


• Các bề mặt cần phải “tuyệt đối sạch”, các bụi bẩn
trên gương đầu thanh hoạt chất, van, tấm phản xạ
có trong buồng cộng hưởng có thể gây nên sự đốt
cháy gây phá hủy bề mặt.
• Ví dụ: Chi tiết quang trong laser khí CO2 nếu sạch
chịu được thử nghiệm 1000 W/cm2/ 20 giờ. Còn khi
bụi bẩn chịu được nhỏ hơn 100W/cm2.
• Với các chi tiết quang có lớp phủ phản xạ hoặc
truyền qua các phẩn tử hấp thụ trên bề mặt các lớp
gây lên sự phá hủy cho nên cần làm sạch các lớp
phủ


• Về phương pháp làm sạch các lớp phủ:
• Vật liệu cứng: TiO2, SiO2… bền, chịu nước dùng làm
lớp phủ giảm phản xạ trong các vùng sóng tử ngoại,
nhìn thấy và phổ hồng ngoại gần.
• Vật liệu cứng vừa: ZnS, F2Th…ùng trong gương
laser CO2 vì có sự hấp thụ như trong vùng hồng
ngoại, kém bền trong nước và hơi nước.
• Vật liệu mềm: ít dùng vì hoa tan trong nước và kém
bền về cơ học..

• Với vật liệu cứng làm sạch bằng các dung môi và
lau bằng vái mềm và sạch.
• Với vật liệu cứng vừa: dùng các dung dịch như
axeton sau đó dùng khí khô N2 làm sạch.
• Vật liệu mềm hiện nay không sử dụng, song với
laser cũ thì nên chỉ dụng khí N2 khô thổi làm sạch.


• 3.2 Kỹ thuật an toàn đối với người khi làm việc
với laser
• Việc sử dụng laser gắn liền với những nguy cơ mất an toàn.
Trước hết là sự gây tổn thương cho mắt và tia laser có công
suất cao gây lên những vết bỏng da.
• Đặc biệt là sự tác động của tia laser là tức thời và qua không
khí nên dễ xảy ra khi bất cẩn và không để ý, hơn nữa do tia
laser có thể được tiêu tụ với vết rất nhỏ có cường độ năng
lượng rất lớn nên đặc biệt nguy hiểm.


C¸c d¹ng ph¸t cña Laser
Continuous Output (CW)

Ph¸t Xung-Pulsed (Q-switched)

Energy (Joules)

Ph¸t liªn tôc ( CW -continuous Wave)

Energy (Watts)

•

Pulsed Output (P)

                       

Time

Time

watt (W) - Unit of power or radiant flux (1 watt = 1 joule per second).
Joule (J) - A unit of energy 
Energy (Q) The capacity for doing work. Energy content is commonly used to characterize the output 
from pulsed lasers and is generally expressed in Joules (J).
Irradiance (E) - Power per unit area, expressed in watts per square centimeter.


• 3.2.1 Các tác động vật lý.
• Nguy hiểm nhất của tia laser là với võng mạc- điểm nhạy
cảm nhất của mắt, thủy tinh thể và sau đó là da. Võng mạc
nhạy cảm nhất với laser ở bước sóng nhìn thấy 0,4 μm < λ<
0,7 μm và vùng gần hồng ngoại 0,7μm < λ< 1,4 μm.
• Laser ở vùng cực tím λ< 0,4 μm không nhạy cảm với võng
mạc song dễ gây tổn thương tới thủy tinh thể. Thủy tinh thể
có thể bị tác động bởi laser ở các bước sóng bất kỳ.


• Hình 3.1 Đặc trưng phổ của mắt người

0/0

Ar++

HeNe
Rubi

Nd

1
0,8

Pho truyen qua cua mat

0,6
0,4

Pho hap thu cua vong mac

0,2

Buoc song λ
500

1000

1500 nm

• Sự tác động lên võng mạc sẽ lớn hơn rất nhiều so với khi ta
quan sát ở ngoài vì vết hội tụ ở võng mạc có thể đạt tới 20
μm.
• Độ tăng tỉ lệ công suất tỉ lệ (dp/dr)2 với dp là đường kính
pu-pin mắt và dr là đường kính hội tụ lên mõng mạc.
• Ví dụ: dp ≈ 5 mm, dr ≈ 20. 10-3mm thì mật độ công suất lên
6.104 lần so với mật độ công suất khi vào mắt. Mắt là nơi
nguy hiểm nhất ngay cả khi các bộ phận khác chưa đạt đến
độ nguy hiểm.


Hinh 4.1 Mật độ công suất nguồn trải rộng và nguồn điểm tại võng mạc


• 3.2.1.2 Tác dụng lên mặt da
do phan xa
1

A

0,8
0,6
0,4

B

0,2

Buoc song λ
500

1000

1500 nm

Hình 3.2 Khả năng phản xạ của da người



• 3.2.1.3 Mối nguy về điện
• Trong số các loại laser thiết thực chủ yếu, như laser khí,
laser chất rắn, laser chất nhuộm, và laser chất bán dẫn, trừ
các loại laser bán dẫn ra thì tất cả đều yêu cầu hiệu điện thế
cao, và thường là dòng điện cao, để tạo ra chùm tia.
• Cho dù là điện thế cao được áp trực tiếp vào môi trường
laser chính hay vào đèn bơm hoặc laser bơm, thì nó vẫn có
mặt tại một số điểm trong hệ thống.
• Tình huống đặc biệt nguy hiểm được tạo ra trong laser là nó
vẫn có thể tích điện thế cao trong các tụ điện hoặc những bộ
phận khác một thời gian lâu dài sau khi laser đã tắt.


C¸c d¹ng t¸c h¹i kh¸c
• T¸c h¹i hãa: trong c¸c laer ho¸ , excimer, khãi
hµn c¾t
• C¸c gi¶i sãng: hång ngo¹i , tö ngo¹i
• KhÝ nÐn: ch¸y næ
• T¸c dông sãng tia X

• 3.3 Các tiêu chuẩn qui định an toàn khi làm
việc với laser theo ANSI Standard (Z136.1)
• Yêu cầu cơ bản là không để tia laser có công suất lớn hơn
ngưỡng cho phép tác dụng lên da và mắt với độ dài sóng và
thời gian tác dụng gây nên tổn thương.
• Các biện pháp:
• - Ngăn cản bằng vật chắn.
• - Đảm bảo sự kiểm tra khống chế, loại trừ tia laser tác động
khi lắp ráp hiệu chỉnh không bằng tia laser.
• -Biện pháp ngăn cản chủ yếu ở phân xưởng với công nhân.
• -Biện pháp kiểm tra khống chế dùng các thiệt bị đo và các
kĩ sư và chuyên gia lành nghề.
• -Phổ biến nhất với mắt là dùng kính bảo vệ được đặc trưng
bởi mật độ quang đối với bước sóng bảo vệ
• -Có báo hiệu nguy hiểm
• -Các cửa che an toàn.


• Tiêu chuẩn ANSI ( American National Standarts
United).
Nó không phải một giới hạn chặt chẽ giữa an toàn và không an
toàn mà nó chỉ là phản ánh sự hoàn thiện của việc nghiên
cứu các hiện tượng nguy hiểm.
Gồm các lĩnh vực
• Xây dựng mức cho phép cực đại của bức xạ laser
• Phân loại laser tương ứng với các mức nguy hiểm
• Xác định các biện pháp an toàn thực tế đối với mỗi mức
• Một đặc điểm quan trọng của ANSI: Phân cấp laser theo
mức độ nguy hiểm về khả năng gây ra các tổn thương sinh
học với nhãn cảnh báo về bức xạ, hình 3.5

Hình 3.5 Nhãn cảnh báo phóng xạ


• Cấp I ( Class I): là các laser với mức công suất bức xạ
không gây nên một mức độ nguy hiểm nào đã biết.
• Cấp IA : là laser thiết kế riêng cho các ứng dụng không thể
chiếu vào mắt người như máy in, quét …có công suất nhỏ
hơn 4mW.
• Cấp IIA: là các laser liên tục công suất thấp ở vùng khả
kiến. Bức xạ trên laser cấp I nhưng nhỏ hơn 1mW. Phản
ứng trước độ chói của ánh sáng laser sẽ bảo vệ con người.
Gây nên tổn thương khi nhìn với thời gian dài.
• Cấp IIB: Laser có công suất tức thời ( với laser liên tục từ
1-5m W), mà bức xạ của nó sẽ gây thương tổn nhìn trực tiếp
trong chùm tia. Đa số các laser trình chiếu là thuộc loại IIB.