Kĩ thuật an toàn laser

Khi laser lần đầu tiên bắt đầu có mặt trong các phòng thí nghiệm, cả dụng cụ và ứng dụng của chúng đều quá chuyên dụng nên hoạt động laser an toàn là một vấn đề gặp phải bởi một nhóm rất hạn chế các nhà nghiên cứu và kĩ sư, và không phải là một đề tài hứng thú nói chung. Với sự phát triển như vũ bão trong việc ứng dụng laser trong những hoạt động hàng ngày, cũng như công dụng thường nhật của chúng trong các phòng thí nghiệm khoa học và môi trường công nghiệp, ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu phải cần thiết đối mặt với vấn đề an toàn laser. Laser trở thành bộ phận không thể thiếu của nhiều kĩ thuật hiển vi quang hiện nay, và khi kết hợp với những quang hệ phức tạp, chúng có thể cấu thành một sự rủi ro lớn nếu như các thủ tục an toàn không được tuân thủ chặt chẽ.

alt

Hai mối quan tâm chính trong hoạt động laser an toàn là việc phơi ra trước chùm tia và rủi ro điện đi kèm với điện thế cao bên trong laser và nguồn cấp điện của nó. Trong khi không có trường hợp được biết nào trong đó chùm laser góp phần dẫn tới cái chết của con người, nhưng có một vài trường hợp tử vong có thể quy cho là do tiếp xúc với các bộ phận điện thế cao có liên quan tới laser. Chùm tia có công suất đủ cao có thể làm đốt cháy da, hoặc trong một số trường hợp, chúng tạo ra sự rủi ro bởi việc đốt cháy hoặc phá hủy các chất khác, nhưng mối quan tâm chủ yếu đối với chùm tia laser là khả năng làm hỏng mắt, bộ phận cơ thể nhạy với ánh sáng nhất. Một số cơ quan chính phủ và những tổ chức khác đã phát triển các tiêu chuẩn an toàn laser, một số trong đó có thể thực thi về mặt pháp lí, còn một số đơn thuần chỉ là những khuyến cáo để mọi người tự nguyện chấp thuận. Đa số các tiêu chuẩn yêu cầu pháp lí gắn với các nhà chế tạo thiết bị laser, mặc dù những người dùng cuối của laser có mối quan tâm lớn nhất đến sự hoạt động an toàn – nhằm ngăn ngừa sự thương tổn suy nhược cơ thể hoặc thậm chí dẫn tới cái chết.

Việc phá hỏng xảy ra ngay tức thì, và sự đề phòng phải được quan tâm để hạn chế tối đa rủi ro, vì việc tránh xa vào thời điểm cuối là không thể. Phát xạ laser giống như sự phơi ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở chỗ ánh sáng đi vào mắt theo các chùm tia song song, chúng được hội tụ rất hiệu quả trên võng mạc, vùng bề mặt sau của mắt rất nhạy với ánh sáng. Cấu tạo tổng quát của mắt người được minh họa trong hình 1, trong đó nhấn mạnh các cấu trúc dễ bị phá hủy do hấp thụ bức xạ cường độ cao. Rủi ro tiềm tàng cho mắt phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng laser, cường độ chùm tia, khoảng cách đến laser, và công suất laser (cả công suất trung bình trong một khoảng thời gian dài và công suất cực đại tạo ra trong một xung). Bước sóng của ánh sáng laser là quan trọng, vì chỉ có ánh sáng nằm trong vùng bước sóng từ gần 400 đến 1400nm mới có thể thâm nhập vào mắt hiệu quả để phá hủy võng mạc. Ánh sáng tử ngoại gần có bước sóng nhất định có thể làm phá hủy các lớp bề mặt phía sau mắt, và có thể góp phần làm đục thủy tinh thể, nhất là ở những người trẻ tuổi, những người có mô mắt có độ trong suốt cao trong vùng bước sóng này. Ánh sáng hồng ngoại gần cũng có thể gây ra sự phá hủy bề mặt, mặc dù không gây nghiêm trọng như ánh sáng tử ngoại.

Phản ứng vật lí của mắt người khác nhau đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau, và điều này dẫn tới sự phá hủy tiềm tàng có thể xảy ra vì một vài lí do sẽ được nói tới trong phần sau. Laser xung có sự rủi ro khác với laser tạo ra chùm liên tục. Trong thực tế, laser hoạt động ở dạng xung nói chung có công suất cao hơn, và một xung laser miligiây hiệu quả có thể gây phá hủy mãi mãi nếu nó đi vào mắt, còn một chùm liên tục công suất thấp hơn chỉ có thể gây rủi ro nếu như phơi sáng lâu. Vùng phổ gây lo lắng nhất cấu thành nên vùng nguy hiểm cho võng mạc, trải rộng từ khoảng 400nm (màu tím) đến 1400nm (hồng ngoại gần), gồm toàn bộ phần nhìn thấy của phổ bức xạ điện từ. Mối nguy hiểm có mặt bởi những bước sóng này tăng thêm do thực tế là mắt có khả năng hội tụ chúng, và ánh sáng chuẩn trực thuộc vùng này được mắt làm hội tụ lên một đốm rất nhỏ trên võng mạc, tập trung công suất của nó đến mật độ cao.

Phân loại laser

Trong số nhiều tiêu chuẩn an toàn do các cơ quan chính phủ và tổ chức khác phát triển, đa số người ta hay dựa trên loạt tiêu chuẩn Z136 của Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kì. Chuẩn an toàn laser ANSI Z136 là cơ sở cho các dự luật công nghệ An toàn nghề nghiệp và Bảo vệ sức khỏe (OSHA) dùng để đánh giá việc laser gây hại cho mô, và cũng là cơ sở tham chiếu cho các dự luật an toàn nghề nghiệp của nhiều bang, nước khác gắn liền với vỉệc sử dụng laser. Tất cả các sản phẩm laser bán ở Mĩ từ năm 1976 đều yêu cầu phải được chứng nhận của nhà sản xuất là đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn danh nghĩa của sản phẩm đối với loại sản phẩm chỉ định của họ, và chúng phải được dán nhãn loại của chúng. Những kết quả nghiên cứu cùng với sự hiểu biết tích lũy về sự nguy hiểm của ánh sáng Mặt Trời và các nguồn sáng khác đã dẫn tới việc thiết lập các giới hạn phơi sáng an toàn danh nghĩa ước tính cho đa số loại bức xạ laser. Một hệ thống phân loại mức nguy hiểm laser, dựa trên sự phơi sáng tối đa chấp nhận được đã biết và kinh nghiệm thu được từ nhiều năm sử dụng laser, đã được phát triển để đơn giản hóa việc áp dụng các thủ tục an toàn nhằm làm giảm thiểu hoặc ngăn ngừa tai nạn. Nhà chế tạo laser phải chứng nhận sản phẩm laser thuộc một trong các loại, hoặc các nhóm nguy hiểm, và dán nhãn cho phù hợp. Bốn loại laser chủ yếu được tóm lược trong danh sách dưới đây. Cũng cần nhấn mạnh rằng đây là một bản tóm tắt thôi, và nó không phải là sự trình bày đầy đủ về các quy tắc phân loại laser của bất kì tổ chức nào.

  • Laser loại I được xem là an toàn, dựa trên những hiểu biết hiện nay, dưới bất kì điều kiện phơi sáng nào vốn có trong thiết kế của sản phẩm. Các dụng cụ công suất nguồn thấp (0,4 mW tại bước sóng khả kiến) sử dụng laser thuộc loại này bao gồm các máy in laser, máy hát đĩa CD, và thiết bị trắc địa, và chúng không được phép phát ra các mức bức xạ quang trên giới hạn phơi sáng đối với mắt. Một laser rủi ro hơn có thể được bao bên trong một sản phẩm laser loại I, nhưng không có bất kì bức xạ nguy hiểm nào được phép thoát ra ngoài trong khi hoạt động hoặc duy trì. Không có yêu cầu an toàn nào được ghi rõ khi sử dụng loại laser này.
  • Loại IA là thiết kế chuyên dụng cho các laser không có khuynh hướng nhìn, ví dụ như máy quét laser mã vạch ở siêu thị. Được phép có công suất cao hơn laser loại I (không quá 4 mW), nhưng không được vượt quá giới hạn loại I trong khoảng thời gian phát xạ hơn quá 1000 giây.
  • Loại II là các laser công suất thấp phải phát ra một chùm tia nhìn thấy. Độ sáng của chùm tia dựa trên cơ sở ngăn cản việc nhìn chằm chằm vào chùm tia trong một thời gian đủ lâu để làm cho mắt bị hỏng. Những laser này bị giới hạn công suất phát dưới 1mW, thấp hơn độ phơi sáng lớn nhất được phép đối với sự phơi sáng nhất thời 0,25 giây hoặc ít hơn. Phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng khả kiến có độ sáng này giúp bảo vệ mắt khỏi bị phá hủy, nhưng bất cứ sự cố ý nhìn quá thời gian nào cũng sẽ đều dẫn tới hỏng mắt. Một số ví dụ laser thuộc loại này là các laser thuyết trình dùng trong lớp học, các con trỏ laser, và những dụng cụ đo xa.
  • Laser loại IIIA là những dụng cụ phát sóng liên tục công suất trung bình (1-5 mW), có ứng dụng tương tự như laser loại II, gồm các máy quét laser và con trỏ laser. Chúng được xem an toàn khi nhìn trong chốc lát (dưới 0,25 giây), nhưng không nên nhìn trực diện hoặc nhìn qua bất kì dụng cụ quang phóng đại nào.
  • Laser loại IIIB có công suất trung bình (sóng liên tục 5-500 mW, hoặc 10 J/cm2 trong laser xung), và không an toàn khi nhìn trực diện hoặc nhìn qua sự phản xạ phản chiếu. Những đo đạc an toàn đặc biệt được khuyến nghị trong tiêu chuẩn điều khiển sự rủi ro của laser thuộc loại này. Ví dụ ứng dụng của laser thuộc loại này là quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu và các sô diễn ánh sáng giải trí.
  • Laser loại IV phát ra công suất cao, vượt quá giới hạn dành cho dụng cụ IIIB, và yêu cầu phải điều khiển nghiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm trong lúc sử dụng chúng. Cả chùm tia trực tiếp lẫn chùm tia phản xạ khuếch tán từ laser loại này đều làm hỏng mắt và da, và có khả năng gây cháy tùy thuộc vào chất liệu mà chúng chạm tới. Đa số tổn thương cho mắt vì laser là do sự phản xạ của ánh sáng laser loại IV, và vì vậy mọi bề mặt phản xạ phải giữ ra xa chùm tia và phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp mọi lúc khi làm việc với các laser này. Laser thuộc loại này được dùng cho phẫu thuật, cắt, khoan, vi gia công cắt gọt, và hàn.

Mặc dù chuẩn ANSI Z136 phân loại laser ra làm loại I đến loại IV, nhưng một kế hoạch phân loại mức nguy hiểm laser mới rất có thể phải đưa vào bản sửa đổi mới của chuẩn ANSI, một nỗ lực nhằm mang lại sự hài hòa với chuẩn quốc tế như chuẩn đã được công nhận bởi Ủy ban Kĩ thuật điện quốc tế (IEC) và chuẩn vừa mới được thông qua bởi Cơ quan quản lí Dược phẩm và Thực phẩm của Mĩ. Sự thay đổi các chuẩn chủ yếu nhằm để đáp ứng sự phát triển nhanh của các con trỏ laser và những dụng cụ tương tự rất có thể được sử dụng bởi những người không quen thuộc với sự phòng ngừa an toàn laser, và những đặc điểm đặc biệt của các nguồn hội tụ cao độ như doide laser. Ảnh hưởng các các thay đổi tương đối nhỏ, và nói chung là tiếp tục nới lỏng các quy tắc xuất hiện cùng với sự tích lũy dữ liệu và kinh nghiệm kể từ các tiêu chuẩn ban đầu rất thận trọng được phát triển trong những năm 1970.

alt

Kế hoạch phân loại mới vẫn giữ lại bốn loại laser chủ yếu, loại 1 đến 4, nhưng đưa ra thêm bản mở rộng của các loại 1, 2 và 3 với yêu cầu ít nghiêm ngặt hơn và các loại con đặc biệt của mỗi loại là: 1M, 2M và 3R. Nói chung, các loại mới thường được mô tả như sau: Loại 1M gồm các laser không có khả năng phá hỏng mắt người trừ khi nhìn với các thiết bị quang. Loại 2M là các laser phát ra ánh sáng khả kiến, chúng an toàn khi nhìn, không được sử dụng trong các thiết bị quang, lên tới 0,25 giây. Trong khoảng thời gian đó, phản ứng khó chịu tự nhiên đối với ánh sáng chói, cùng với phản xạ chớp mắt, bảo vệ mắt khỏi bị phá hỏng võng mạc. Loại 3R gồm các laser kém an toàn khi nhìn trực diện, và cho phép có công suất gấp tới 5 lần công suất laser loại 1 hoặc loại 2. Những đo đạc khác phải được tiến hành nhằm ngăn cản sự đi trực tiếp vào mắt, nhất là với những bước sóng không nhìn thấy.

Tổn hại cho mắt

Cần lưu ý rằng cảnh báo chung cho đa số các loại laser là tránh nhìn chùm tia qua bất cứ dụng cụ quang phóng đại nào. Nguy hiểm chủ yếu cho mắt người vì laser là do bản thân mắt chính là một dụng cụ quang hội tụ một cách chính xác và hiệu quả ánh sáng trong một vùng bước sóng nhất định. Sử dụng laser kết hợp với kính hiển vi quang học chỉ làm tăng thêm mối nguy hại tiềm tàng cho mắt. Thông thường thì các phòng thí nghiệm quang học chứa nhiều loại laser, vừa làm các thành phần tích hợp của hệ thống như kính hiển vi huỳnh quang, vừa làm nguồn sáng cho bản quang mở. Nguy hiểm chính do những laser “mở” này mang lại là khả năng phá hủy mắt từ các chùm nằm ngang bị tản lạc tại chiều cao bàn, các chùm tia phản xạ khỏi mặt bàn, và sự phản xạ từ các bộ phận quang và các mặt phản xạ bên ngoài, như khóa thắt lưng, đồng hồ, đồ trang sức và bất kì mặt phản xạ nào trong phòng. Thậm chí chỉ cần hứng một phần nhỏ của chùm sáng laser cũng có thể đủ để làm thương tổn vĩnh viễn và mất thị lực.

Khả năng phát xạ laser làm thương tổn các cấu trúc khác nhau của mắt phụ thuộc vào cấu trúc nào hấp thụ năng lượng chùm tia. Đặc trưng hấp thụ của các mô mắt khác nhau, và bước sóng và cường độ của ánh sáng laser xác định sự nguy hiểm xảy ra cho giác mạc, thủy tinh thể, hay võng mạc. Các bước sóng lọt vào võng mạc ở mặt phía sau mắt được xác định bởi đặc trưng truyền sáng tổng thể của mắt. Hình 2 minh họa độ truyền sáng của mắt là một hàm của bước sóng bức xạ trên vùng phổ có liên quan. Giác mạc, thủy tinh thể, và thủy tinh dịch của mắt cho truyền qua bức xạ điện từ trong vùng bước sóng xấp xỉ 400 đến 1400nm, gọi là vùng tụ của mắt. Ánh sáng trong vùng này được hội tụ lên võng mạc, mặt cảm giác đó tạo ra tín hiệu truyền lên não bằng dây thần kinh thị giác. Việc nhìn trực tiếp một nguồn sáng điểm, như tình huống thực sự được tạo ra trong khi nhìn trực diện một chùm tia laser chuẩn trực cao, tạo ra một đốm hội tụ rất nhỏ trên võng mạc, gây ra mật độ công suất tăng lên rất lớn và khả năng gây nguy hiểm cao độ. Sự nguy hiểm xảy ra tương tự như khi nhìn trực tiếp ánh sáng Mặt Trời, mặc dù cường độ sáng laser thì cao hơn nhiều.

Độ lợi quang học của mắt người thư giãn đối với một chùm tia chuẩn trực cao, là tỉ số của diện tích con ngươi của mắt và diện tích ảnh (hội tụ) trên võng mạc, là vào bậc 100.000. Con số này tương ứng với 5 bậc độ lớn chiếu sáng tăng từ mặt giác mạc tới võng mạc. Cho phép quang sai trong hệ thủy tinh thể - giác mạc, và nhiễu xạ tại mống mắt, một con mắt hiệu chỉnh tốt có khả năng hội tụ một đốm sáng 20 micrô mét lên võng mạc. Ý nghĩa của tính hiệu quả này của mắt là ngay cả một chùm laser công suất thấp, nếu nó chạm tới mắt, cũng có thể được hội tụ lên võng mạc và nhanh chóng đốt cháy một lỗ ở trong mô, làm phá hỏng vĩnh viễn dây thần kinh thị giác. Trong trường hợp chùm laser đi vào mắt trực tiếp (nhìn trực diện), một chùm 1 mW tạo ra giá trị độ rọi võng mạc vào bậc 100 W/cm2. Hãy so sánh, việc nhìn trực tiếp Mặt Trời tạo ra độ rọi tại võng mạc xấp xỉ 10 W/cm2.

Hình 3 minh họa kết quả hội tụ trong mắt đối với một nguồn trải rộng, như một bóng đèn thủy tinh thông thường, so với chùm laser chuẩn trực cao có tính chất thật sự của một nguồn điểm. Do sự khác biệt bản chất của các nguồn sáng, nên mật độ công suất tại võng mạc đối với một chùm laser 1 mW hội tụ có thể lớn hơn 1 triệu lần so với một bóng đèn 100W chuẩn. Giả sử một chùm laser Gauss hoàn hảo, trực tiếp đi vào một con mắt không có quang sai, thì kích thước đốm giới hạn nhiễu xạ có đường kính 2mm tại võng mạc là khả dĩ, so với đốm hội tụ kích thước vài trăm mm đối với nguồn trải rộng. Giá trị độ rọi (mật độ công suất) tương ứng tại võng mạc, như chỉ rõ trong hình 3, xấp xỉ 108 và 102 W/m2.

Có thể nghĩ rằng một đốm cháy trên võng mạc đo được thậm chí 20mm sẽ không ánh sáng đáng kể đến thị lực, vì võng mạc chứa hàng triệu tế bào hình nón. Tuy nhiên, các thương tổn võng mạc thực tế thường lớn hơn đốm hội tụ cơ bản do các hiệu ứng âm và nhiệt thứ cấp, và tùy thuộc vào vị trí, thậm chí một thương tổn cực kì nhỏ đối với võng mạc cũng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho thị lực. Trong trường hợp phơi sáng tệ hại nhất, với con mắt thư giãn (hội tụ tại vô cùng) và chùm laser đi vào mắt trực tiếp hoặc từ một sự phản xạ phản chiếu, thì chùm tia được hội tụ đến kích thước đốm nhỏ nhất của nó trên võng mạc. Nếu sự phá hủy xảy ra tại nơi dây thần kinh thị giác đi vào mắt thì kết quả sẽ là sự mất hoàn toàn thị lực. Sự cháy võng mạc rất thường xảy ra tại khu vực nhìn chính giữa, tức điểm vàng, có kích thước ngang chừng 2mm và dọc 0,8mm. Vùng chính giữa của điểm vàng, gọi là hốc giữa, có đường kính chỉ khoảng 150 mm và 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 và phát hiện chuyển động, cấu thành sự nhìn ngoại biên, nhưng không góp 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 mất tức thời sự nhìn tốt.

alt

Dải bước sóng truyền qua các cấu trúc bên ngoài của mắt và đi tới võng mạc gồm toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến từ màu lam (400nm) tới màu đỏ (700nm) và vùng hồng ngoại gần có bước sóng 700-1400nm (IR-A). Vì võng mạc không phản ứng với bức xạ nằm ngoài phổ khả kiến, nên không có cảm giác nào sinh ra trong mắt khi phơi ra trước ánh sáng hồng ngoại gần, kết quả là mang lại sự rủi ro lớn hơn nhiều đối với các laser hoạt động trong vùng phát xạ này. Mặc dù không nhìn thấy, nhưng chùm tia vẫn hội tụ lên võng mạc. Như đã đề cập ở trên, vì tính hội tụ hiệu quả của mắt, nên một lượng tương đối nhỏ bức xạ laser cũng có thể làm thương tổn võng mạc, và trong một số trường hợp còn gây ra hậu quả thị lực nghiêm trọng. Laser dạng xung phát ra cường độ cao có thể gây ra sự xuất huyết khi hội tụ trong mắt, và sự phá hủy có thể mở rộng ra khoảng cách lớn tính từ khu vực hội tụ. Thương tổn võng mạc thì không lành, và nói chung là không chữa được.

Sự hấp thụ trong các bộ phận khác của mắt, chủ yếu là giác mạc và thủy tinh thể, làm hạn chế sự phơi sáng cho võng mạc đối với vùng bước sóng tụ của mắt, đó cũng có thể xem là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc. Trong quá trình hấp thụ, các cấu trúc hấp thụ tự chúng trở thành đối tượng bị phá hủy. Chỉ mô nào hấp thụ bức xạ, và những mô lân cận tức thời xung quanh nó, là đối tượng bị thương tổn và đa số trường hợp phá hủy gay gắt là do phơi ra trước bức xạ laser bên ngoài vùng bước sóng 400-1400nm không có các hiệu ứng tồn tại lâu. Giác mạc xử sự giống như da ở chỗ nó chịu sự bồi tiếp liên tục, và chỉ một sự phá hủy hơi gay gắt làm dơ nó cũng có thể có một số ảnh hưởng đến thị lực. Đa số nguy hiểm cho giác mạc là do bức xạ laser trong vùng phổ hồng ngoại xa và tử ngoại.

Vì mức độ hội tụ cao xảy ra bên trong mắt, nên việc phơi sáng trước một chùm laser kết hợp tương đối yếu có thể gây ra sự phá hủy vĩnh viễn, tức thời. Bởi vậy, khi sử dụng một laser mạnh, một sự phản xạ phản chiếu (nhằm duy trì chùm tia kết hợp) chỉ vài phần trăm, trong một phần nhỏ của giây, có khả năng gây ra tổn hại cho mắt. Trái lại, khi chùm tia laser bị tán xạ bởi sự phản xạ từ một bề mặt gồ ghề, hoặc thậm chí từ bụi bặm trong không khí, thì tia phản xạ khuếch tán đi vào mắt ở góc lớn hơn. Với năng lượng chùm tia trải ra trong một phạm vi rộng hơn, nên tia phản xạ có đặc trưng của một nguồn trải rộng, và tạo ra ảnh lớn hơn trên võng mạc, so với sự hội tụ tập trung tạo ra bởi một nguồn điểm (xem hình 3). Sự khuếch tán của chùm tia theo kiểu này làm giảm nguy cơ phá hỏng mắt, không chỉ bằng việc làm tăng kích thước nguồn và làm giảm mật độ công suất, mà còn phá vỡ sự kết hợp của chùm tia khá tốt.

alt

Khả năng phá hỏng mắt có thể phân loại đối với bước sóng laser và cấu trúc mắt bị ảnh hưởng, với những thương tổn lớn nhất cho võng mạc và gây ra bởi bức xạ trong vùng phổ khả kiến và hồng ngoại gần. Sự cháy nhiệt, sự phá hủy âm học, hoặc sự biến đổi quang hóa có khả năng xảy ra tùy thuộc vào năng lượng hấp thụ. Các hiệu ứng sinh học tác động lên mô mắt, biểu hiện trong những dải bước sóng khác nhau, được tóm lược như sau, và được kê trong bảng 1.

Tử ngoại B và C (200-315nm): Bề mặt giác mạc hấp thụ mọi ánh sáng tử ngoại trong vùng này, ngăn cản những bước sóng này đi tới võng mạc. Một dạng sừng hóa (cũng còn gọi là chớp sáng của thợ hàn) có thể để lại qua một quá trình quang hóa làm biến tính các protein trong giác mạc. Ngoài công suất laser, bức xạ trong vùng này còn có thể phát sinh từ ánh sáng bơm laser, hoặc một thành phần ánh sáng lam từ một tương tác mục tiêu, đòi hỏi phải cảnh báo thêm ngoài các cảnh báo bởi chuẩn ANSI, chuẩn chỉ xem xét công suất laser. Loại tổn thương mắt này thường không tồn tại lâu do sự tái sinh nhanh chóng của các mô giác mạc.

Tử ngoại A (315-400nm): Giác mạc và thủy dịch cho truyền qua vùng bước sóng này, sau đó chúng chủ yếu bị hấp thụ bởi thủy tinh thể của mắt. Sự biến tính quang hóa của các protein có thể dẫn tới bệnh đục nhãn mắt.

Ánh sáng khả kiến và hồng ngoại A (400-1400nm): Vùng phổ này thường được gọi là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc, do trong thực tế giác mạc, thủy tinh thể và thủy tinh dịch của mắt là trong suốt đối với những bước sóng này, và năng lượng ánh sáng bị hấp thụ trong võng mạc. Sự phá hủy võng mạc có thể xảy ra qua quá trình nhiệt hoặc quang hóa. Sự phá hủy quang hóa đối với các tế bào cảm quang của võng mạc có thể làm giảm lượng ánh sáng hoặc cảm giác màu, và các bước sóng hồng ngoại có thể gây ra bệnh đục nhãn mắt ớ thủy tinh thể. Thương tổn có khả năng nhất khi năng lượng laser bị hấp thụ đủ là mắt bị cháy nhiệt, trong đó sự hấp thụ ánh sáng bởi các hạt melanin và các biểu mô sắc tố chuyển hóa thành nhiệt. Sự hội tụ bức xạ laser bởi giác mạc và thủy tinh thể trong dải bước sóng này làm khuếch đại độ rọi lên chừng 100.000 lần tại võng mạc. Đối với laser ánh sáng khả kiến công suất tương đối thấp, khả năng thương tổn sẽ giảm bớt do phản xạ khó chịu (mất chừng 0,25 giây) làm tránh được chùm tia sáng chói. Tuy nhiên, nếu năng lượng laser để gây ra phá hủy ngắn hơn 0,25 giây, thì cơ chế phòng vệ tự nhiên này không hiệu quả, hoặc không mang lại bất cứ sự bảo vệ nào cho dải hồng ngoại gần không nhìn thấy có bước sóng giữa 700 và 1400nm. Laser hoạt động ở dạng xung còn có rủi ro khác nữa do khả năng phát sóng gây sốc âm trong mô võng mạc. Các xung laser có thời gian dưới 10 micro giây gây ra các sóng gây sốc làm vỡ mô. Loại thương tổn này là vĩnh viễn và có thể gay gắt hơn sự cháy nhiệt, vì sự phá hủy âm thường ảnh hưởng tới một vùng rộng hơn của võng mạc, và yêu cầu năng lượng tạo ra hiệu ứng thấp hơn. Bởi vậy, độ phơi sáng cực đại được phép trong các chuẩn điều chỉnh phải giảm xuống đối với laser xung ngắn.

Hồng ngoại B và hồng ngoại C (1.400 – 1.000.000nm): Ở những bước sóng dài hơn 1400nm, giác mạc hấp thụ năng lượng do thành phần nước của mô và màng nước mắt tự nhiên, và sự tăng nhiệt độ thu được gây ra sự biến tính của các protein nằm gần bề mặt. Chiều sâu xâm nhập tăng lên ở những bước sóng dài hơn, và các ảnh hưởng nhiệt lên protein thủy tinh thể, ở nhiệt độ tới hạn không cao lắm so với nhiệt độ cơ thể bình thường, có thể dẫn đến sự kéo mây, thường gọi là đục nhãn mắt hồng ngoại. Ngoài việc hình thành bệnh đục nhãn và cháy giác mạc, bức xạ hồng ngoại còn có thể làm tóe thủy dịch, trong đó môi trường thủy dịch trong suốt bình thường của khoang phía trước bị tổn hại vì các mạch máu bị vỡ.

Nói chung, bức xạ laser tử ngoại và hồng ngoại gần bị hấp thụ tại giác mạc hoặc thủy tinh thể, và kết quả của nó phụ thuộc vào cường độ và thời gian phơi sáng. Ở cường độ cao, sự cháy nhiệt tức thời xảy ra, còn sự phơi sáng thấp hơn có thể dẫn đến bệnh đục nhãn mắt trong thời gian nhiều năm. Các mô màng kết của mắt cũng có thể bị thương tổn do phơi sáng laser, mặc dù sự phá hủy các mô màng kết và màng sừng thường xảy ra ở các mức công suất cao hơn so với thương tổn võng mạc. Vì thương tổn võng mạc tạo ra những kết quả tức thì nghiêm trọng hơn, nên sự tổn hại màng sừng thường chỉ được xem là một mối quan tâm nghiêm trọng đối với các laser hoạt động ở những bước sóng không tới được võng mạc (về cơ bản là hồng ngoại xa và tử ngoại).

Nguy hiểm cho da

Mối nguy hiểm laser đối với sự phơi sáng da thường được xem là kém quan trọng hơn mối nguy hại cho mắt, mặc dù cùng với sự tăng cường sử dụng các hệ laser công suất ngày càng cao, nhất là các bộ phát tử ngoại, thì lớp da không được bảo vệ có thể phơi ra trước mức độ bức xạ cực kì nguy hiểm trong những hệ không được đóng kín hoàn toàn. Vì da là cơ quan rộng nhất của cơ thể, nên nó có sự rủi ro lớn nhất đối với việc phơi sáng trước chùm laser, và đồng thời bảo vệ có hiệu quả đa số các cơ quan khác khỏi bị phơi sáng (với ngoại lệ là mắt). Điều quan trọng là hãy xét nhiều laser được thiết kế cho mục đích làm biến đổi vật liệu, như cắt hoặc khoan các vật liệu có sức chịu đựng lớn hơn da rất nhiều. Bàn tay, cánh tay và đầu là các bộ phận của cơ thể rất dễ bị phơi sáng tình cờ trước chùm tia laser khi canh chỉnh hoặc điều chỉnh những thiết bị thực nghiệm khác đang hoạt động, và nếu chùm tia có cường độ đủ mạnh, thì sự cháy nhiệt, phá hủy quang hóa, và thương tổn âm có thể xảy ra.

Nguy hiểm lớn nhất cho da đến từ mật độ công suất cao của chùm tia laser và bước sóng của bức xạ xác định mức độ sâu của da bị phá hủy và loại thương tổn do nó mang lại. Chiều sâu xâm nhập của bức xạ laser vào da là lớn nhất trong vùng bước sóng chừng 300-3000nm, đạt tới cực đại trong vùng phổ hồng ngoại A tại khoảng 1000nm. Nếu laser có khả năng gây phá hủy da được sử dụng, thì những phòng ngừa tương xứng phải được thực hiện nhằm bảo vệ da, ví như mặc áo tay dài và mang găng tay làm từ chất liệu chịu lửa thích hợp. Trong nhiều trường hợp, công suất laser thấp hơn có thể được sử dụng cho thủ tục canh chỉnh được yêu cầu trong những thí nghiệm dự tính trước.

Mối nguy về điện

Mối nguy hiểm đi cùng với các bộ phận điện hoặc nguồn cấp điện cho laser về cơ bản là giống nhau cho hầu hết các loại, và sự phòng ngừa an toàn riêng cho mỗi cấu hình hoặc mỗi loại laser là không cần thiết. 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. Tình huống này đặc biệt phổ 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 toàn nhất là luôn luôn giả định rằng một mối hiểm họa gây sốc đang có mặt, cho tới khi tình trạng khác được xác định. Nhiều laser sử dụng điện thế cao chỉ cho đến khi phát xạ laser được thiết lập, và rồi hoạt động ở mức điện thế tương đương với các dụng cụ điện gia dụng, nhưng đây không phải là sự biện hộ cho sự thiếu đề phòng thích hợp cho bất cứ dụng cụ điện nào.

An toàn laser đối với laser dùng trong kính hiển vi thông dụng

Laser và các hệ thiết bị hoàn chỉnh có chứa laser phải đáp ứng những tiêu chuẩn an toàn nhất định. Tùy thuộc vào loại nguy hiểm của chúng, laser được yêu cầu phải có màn chắn, khóa chuyển điều khiển, hoặc những dụng cụ khác để ngăn ngừa tổn hại. Các kí hiệu cảnh báo được sử dụng tại mọi nơi trong phòng có laser có khả năng gây tổn hại, và tại những vị trí gần laser, nơi có mức độ nguy hại cao (một số ví dụ minh họa trong hình 4). Trong những dụng cụ chứa chùm tia sao cho người không thể đi tới mắt người sử dụng, như máy in laser và máy hát đĩa CD, sự phòng ngừa là không cần thiết.

Nhiều laser trong phòng thí nghiệm có tính chất tương tự như laser công suất cao dùng trong các tổ hợp công nghiệp phát ra cùng bước sóng, và có thể yêu cầu che chắn nhằm bảo vệ người điều khiển. Bước sóng phát của một số laser được sử dụng phổ biến được tóm lược trong bảng 2. Trong tình huống làm việc trong đó không thể loại trừ tuyệt đối việc phơi sáng mắt trước chùm laser, thì phải mang kính bảo hộ. Về cơ bản thì kính bảo hộ được thiết kế nhằm chặn lại ánh sáng tại những bước sóng đặc biệt phát ra bởi laser đang sử dụng, còn ánh sáng truyền qua ở những bước sóng khác cho phép sự nhìn thích đáng. Điều quan trọng là phải có một bộ lọc laser cho mỗi loại laser – không có loại kính bảo hộ chung nào sử dụng được hết cho hết thảy loại laser hoặc cho hết tất cả các vạch phát xạ có thể của laser đa bước sóng. Vì ánh sáng laser có thể đi đến từ bất cứ góc nào, trực tiếp hoặc bởi sự phản xạ từ các bề mặt, nên kính bảo hộ phải chặn được tất cả các đường đi có thể tới mắt.

alt

Laser sapphire titanium pha tạp (thường gọi là laser Ti:sapphire) là một ví dụ linh hoạt của loại laser chất rắn có thể điều hướng được. Loại laser này yêu cầu bơm quang học bằng một đèn flash bên trong hoặc một laser khác, có thể gắn bên trong hoặc bên ngoài hệ laser chính. Vì những cấu hình khác nhau của hệ laser Ti:sapphire, nên việc thiết đặt một chuẩn phòng ngừa an toàn không thể thực hiện được. Những laser này hoạt động ở bước sóng liên tục hoặc dạng xung, và tùy thuộc vào hệ cung cấp bơm quang học, các yêu cầu điện và mối nguy hiểm điện thay đổi đáng kể. Bước sóng điều hướng của laser sapphire titanium pha tạp thường biến thiên từ xấp xỉ 700 tới 1000nm, và do đó các tiêu chuẩn phòng ngừa an toàn đối với những laser phát ra bức xạ có khả năng đi tới võng mạc (ngắn hơn 1400nm) phải được tuân thủ. Vì bước sóng phát biến thiên, nên đòi hỏi phải có nhiều hơn một loại kính bảo hộ, và người dùng phải chắc chắn rằng dụng cụ chặn chùm tia phải thích hợp với (những) bước sóng được phát ra. Một xung ngắn công suất cao phát ra trong hoạt động dạng xung có thể làm hỏng mắt vĩnh viễn, và sự phòng ngừa phải được thực hiện đảm bảo rằng mọi đường đi khả dĩ tới mắt đều bị chặn, cả đường đi trực tiếp và ngoại biên.

Điều quan trọng là phải nhận thấy rằng sự phát xạ tản lạc từ laser bơm trong một số cấu hình laser Ti:sapphire còn nguy hiểm hơn chùm laser chính, và nếu có khả năng ánh sáng này đi tới khu vực làm việc, thì phải sử dụng phương tiện bảo vệ mắt chặn lại bước sóng laser bơm. Nếu laser bơm được dùng là riêng biệt với laser mẹ, thì phải yêu cầu phòng ngừa thêm nhằm loại trừ sự phơi sáng có thể xảy ra với ánh sáng tản lạc do việc ghép đôi hai laser. Trong hệ bơm bằng đèn flash, điện thế cao áp vào đèn có thể vẫn còn vì tụ tích điện trong bộ nguồn cả khi đơn vị đã tắt, và sự phòng ngừa là cần thiết nhằm ngăn chặn sự sốc điện khi tiến hành bão dưỡng laser. Các bước sóng hồng ngoại gần phát ra bởi loại laser này có thể đặc biệt nguy hiểm, bởi vì mặc dù chùm tia là không nhìn thấy hoặc có thể nhìn thấy mờ nhạt ở gần đầu 700nm của dải phát xạ, nhưng một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại sẽ hội tụ trên võng mạc.

Việc pha tạp crôm của những chất trạng thái rắn khác nhau cho thấy triển vọng to lớn trong sự phát triển của các laser điều hướng mới, và khi những laser này ngày càng dùng phổ biến hơn, thì những thủ tục an toàn đối với mỗi loại phải được xét đến. Crôm pha tạp liti stronti nhôm florit (Cr: LiSAF) hứa hẹn sẽ là chất hoạt tính laser bơm doide, và được dùng thay thế cho laser Ti:sapphire trong một số ứng dụng hiển vi nhân quang. Với bước sóng phát xạ điều hướng trong vùng hồng ngoại, yêu cầu phòng ngừa an toàn tương tự như đối với laser Ti:sapphire. Tuy nhiên, vì laser pha tạp crôm là sản phẩm mới được phát triển tương đối gần đây, nên người dùng còn e ngại rằng các bộ lọc và kính bảo hộ có thể không sẵn sàng đối với những bước sóng phát xạ đặc biệt của chúng.

Laser argon-ion, và laser krypton-ion ít thông dụng hơn, tạo ra bức xạ ở những bước sóng bội được khai thác rộng rãi trong các công nghệ quang như kính hiển vi đồng tiêu. Laser argon thường được phân vào loại IIIB hoặc loại IV dưới mã an toàn ANSI, và cần phải tránh phơi sáng trực tiếp trước chùm tia này. Các tia lam-lục từ một chùm laser argon-ion kết hợp cao có thể lọt vào mắt tới võng mạc, gây ra sự phá hủy vĩnh viễn. Kính bảo hộ an toàn có sẵn mang lại sự hấp thụ mạnh các vạch phát xạ chính, và sẽ bảo vệ mắt khỏi bị tổn hại. Laser krypton-ion tạo ra bước sóng dài hơn một chút so với laser argon-ion, và ở công suất thấp hơn, một phần do chúng phát ra các vạch bước sóng khả kiến bội phân bố rộng trong quang phổ. Sự phân bố năng lượng rộng rãi đưa đến vấn đề là các kính lọc bảo hộ được thiết kể nhằm hấp thụ toàn bộ phát xạ laser sẽ chặn đa số ánh sáng khả kiến, làm hạn chế tính thực tiễn của việc sử dụng chúng. Yêu cầu phải cẩn thận hết sức ở những nơi có liên quan tới laser krypton-ion, nhằm tránh phơi sáng mắt trước phát xạ vạch bội. Laser sử dụng hỗn hợp krypton-argon trở nên phổ biến trong kính hiển vi huỳnh quang dùng cho các nghiên cứu huỳnh quang bội yêu cầu sự phát xạ bền vững ở một vài bước sóng, và phải thận trọng bảo vệ mắt khỏi toàn bộ phát xạ có thể đi vào võng mạc. Ngoài ra, những laser phóng điện khí này tạo ra bước sóng tử ngoại bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thể của mắt, và vì mối nguy hiểm của sự phát xạ sóng liên tục trong vùng phổ này được biết rất ít, nên cần phải mang kính bảo hộ hấp thụ tử ngoại. Laser krypton-ion phát ra ở một vài bước sóng trong vùng hồng ngoại gần hầu như không nhìn thấy, nhưng có thể gây ra sự tổn hại võng mạc gay gắt, bất chấp hình thức khó hình dung của chúng. Mối nguy hiểm điện có mặt do việc áp dụng điện thế cao để kích hoạt sự phóng điện laser, và dòng điện tương đối cao do yêu cầu duy trì sự phát xạ.

Laser sử dụng hỗn hợp helium-neon được sử dụng rất rộng rãi trong những dụng cụ như máy quét mã vạch siêu thị và thiết bị đo đạc, và chúng có công suất chừng vài mili watt hoặc thấp hơn, nên mức nguy hại tương đương với ánh sáng Mặt Trời trực tiếp. Một sự nhìn thoáng qua tình cờ trong chốc lát tại một chùm công suất thấp không làm hỏng mắt, nhưng ánh sáng kết hợp cao từ laser He-Ne có thể hội tụ lên một đốm rất nhỏ trên võng mạc, và sự phơi sáng liên tục có thể làm thương tổn lâu dài. Vạch phát xạ He-Ne cơ bản tại 632nm, nhưng khác nhau ở bước sóng phát ra từ ánh sáng lục cho đến ánh sáng hồng ngoại thường có sẵn trên thị trường. Các phiên bản công suất cao hơn của laser He-Ne có mức độ nguy hiểm lớn hơn nhiều, và phải sử dụng thật thận trọng. Không có cách dự đoán mức độ phơi sáng sẽ tạo ra mức thương tổn cho mắt nhất định. Quy định an toàn chủ yếu được tuân thủ đối với loịa laser này tránh hết mọi thứ, trừ việc nhất thời nhìn qua chùm tia, và quan sát các cảnh báo thường dùng liên quan tới điện thế cao có mặt trong bộ cấp nguồn.

Một loại laser phóng điện khí khác, dựa trên hệ heli-cadmi, được sử dụng rộng rãi trong kính hiển vi quét đồng tiêu, khai thác các vạch phát xạ tím-lam và tử ngoại tại 442nm và 325nm. Nguy hiểm chủ yếu đối với mắt do vạch lam là làm phá hủy võng mạc, được xem là dễ bị thương tổn hơn ở những mức phơi sáng thấp tại bước sóng này so với các bước sóng khả kiến dài hơn. Do đó, cả ở mức công suất thấp, laser He-Cd vẫn phải đảm bảo cẩn thận các thủ tục an toàn. Rất ít bức xạ tử ngoại 325nm có khả năng đi tới võng mạc do bị hấp thụ mạnh bởi thủy tinh thể, và sự phơi sáng lâu dài có thể góp phần làm đục thủy tinh thể. Việc đeo kính bảo hộ an toàn thích hợp có thể bảo vệ chống lại mối nguy hại tiềm tàng này. Một vấn đề khó có mặt trong những biến thể mới đây hơn của lase He-Cd là chúng phát ra đồng thời các bước sóng đỏ, lục và lam. Bất cứ nỗ lực nào muốn lọc cả ba bước sóng này bằng kính bảo hộ đều làm chặn lại phần nhiều phổ khả kiến nên người dùng không thể nhìn trọn vẹn để tiến hành những công việc cần thiết. Nếu chỉ có hai trong số các vạch phát xạ bị lọc, thì sự rủi ro còn lại từ bước sóng thứ ba, yêu cầu phải đo đạc cẩn thận để tránh phơi sáng.

Laser nitrogen phát ra vạch tử ngoại tại 337,1nm và được dùng làm nguồn dạng xung cho một số kính hiển vi và ứng dụng quang phổ kế. Những laser này thường được dùng để bơm các phân tử chất nhuộm nhằm tạo ra thêm những vạch có bước sóng dài hơn trong những kĩ thuật ghi ảnh nhất định. Laser nitrogen có khả năng phát ra công suất cao ở tốc độ lặp xung cực kì cao. Sự tổn hại màng sừng có thể do phơi sáng trước chùm tia đó, và mặc dù sự hấp thụ trong thủy tinh thể bảo vệ võng mạc khỏi các bước sóng tử ngoại gần đến một chừng mực nào đó, nhưng không chắc chắn đây có đủ để ngăn ngừa sự thương tổn võng mạc từ các xung công suất cao đó hay không. Cách thức an toàn nhất là phải đảm bảo bảo vệ mắt trọn vẹn khi loại laser này được sử dụng. Ngoài ra, điện thế cao cần thiết để điều khiển laser nitrogen, và sự đề phòng là cần thiết nhằm đảm bảo sự phóng điện của tất cả các bộ phận cấp nguồn trước khi tiếp xúc với chúng.

Laser trạng thái rắn phổ biến nhất chế tạo từ neodymium ion hóa pha tạp ở mức độ không tinh khiết trong tinh thể chủ. Chất chủ được sử dụng rộng rãi nhất cho pha tạp neodymium là ngọc hồng lựu yttrium nhôm, một tinh thể nhân tạo hình thành nên cơ sở laser Nd:YAG. Laser neodymium nói chung có sẵn rất đa dạng, phát ra trong một vùng rộng công suất cả dạng chùm liên tục và dạng xung. Chúng có thể được bơm quang học bằng một laser bán dẫn, bằng đèn flash dạng xung, hoặc bằng đèn hồ quang, và đặc trưng của chúng thay đổi rộng tùy thuộc vào thiết kế và mục đích chế tạo. Vì có phạm vi ứng dụng rộng rãi, nên chúng có những nguy hại nhất định, laser neodymium có khả năng gây thương tổn cho mắt hơn bất kì loại nào khác.

Laser neodymium YAG phát ra ánh sáng hồng ngoại gần 1064nm có thể làm thương tổn gay gắt cho võng mạc, và vì nó không nhìn thấy nên khả năng thương tổn là do các chùm phản xạ tăng lên. Đa số laser loại này sử dụng trong kính hiển vi được bơm bằng doide và phát ra các xung cực ngắn, có thể làm tổn thương ngay cả khi chỉ một xung phản xạ đi vào mắt. Do đó, việc bảo vệ mắt chặn lại mọi đường đi có thể tới mắt phải sử dụng kính bảo hộ chặn hồng ngoại có thể được thiết kế cho truyền qua đa số ánh sáng khả kiến, trừ những ứng dụng trong đó các họa âm bậc cao được sử dụng. Nhân đôi tần số có thể tạo ra họa âm thứ hai tại 532nm (ánh sáng khả kiến lục), bước sóng này cũng truyền qua đi tới võng mạc, và khi vạch phát xạ này được sử dụng thì việc thêm bộ lọc làm tắt dần ánh sáng lục là cần thiết. Nhân ba và nhân tư tần số thường được áp dụng với laser Nd:YAG tạo ra họa âm thứ ba và thứ tư tại 355 và 266nm, chúng có những nguy hại khác, và yêu cầu kính bảo hộ an toàn chặn tử ngoại, và có khả năng bảo vệ da đề phòng các thương tổn do cháy. Với những laser phát ra công suất chừng vài watt trong vùng hồng ngoại, công suất hàng trăm mili watt có thể thu được tại các bước sóng họa âm thứ hai, ba, tư.

alt

Mặc dù một số laser neodymium bơm bằng diode phát ra công suất tương đối thấp (nhất là tại các họa âm bậc cao, khi hoạt động ở mode liên tục), nhưng đa số phát ra công suất đủ để gây ra thương tổn, và phải đeo kính bảo vệ mắt khi làm việc với bất kì laser nào thuộc loại này. Một khó khăn đối với bất kì laser nào phát ra bước sóng bội là việc sử dụng kính bảo hộ thích hợp làm suy giảm tất cả các vạch phát xạ nguy hiểm. Khi các họa âm bậc cao được sử dụng, không nên cho rằng ánh sáng ở tần số cơ sở bước sóng dài hơn không có mặt, và nhiều laser thương mại có một hoặc nhiều cơ chế đặc biệt loại trừ những bức xạ quang không mong muốn. Mối nguy hiểm về điện có mặt trong các laser neodymium đèn bơm thay cho diode, vì sự có mặt của điện thế cao cấp nguồn.

Một số lượng lớn nghiên cứu đang được triển khai để nhận ra các chất chủ tinh thể khác cho pha tạp neodymium, và khi các chất khác có mặt trong các laser thương mại, cần phải xem xét điều kiện cho hoạt động an toàn. Khi những loại laser mới được đưa ra, thì những dụng cụ an toàn tương xứng có thể ban đầu chưa có. Hiện nay, chất thay thế được sử dụng rộng rãi nhất cho ngọc thạch lựu yttrium nhôm là yttrium lithium fluoride (kí hiệu là YLF), và có sẵn trên thị trường cả laser Nd:YLF dạng xung và dạng liên tục. Mặc dù ở nhiều khía cạnh là tương tự với laser neodymium YAG, nhưng việc sử dụng Nd:YLF phát ra tại một bước sóng cơ sở hơi khác (1047nm) và điều này phải được xét đến khi đánh giá hiệu suất của các bộ lọc an toàn như kính bảo hộ đối với phổ hấp thụ các bước sóng cơ sở và họa âm bậc cao của chúng.

Laser diode bán dẫn đại diện cho một công nghệ tương đối mới đang mở rộng nhanh chóng ở tính đa dụng. Đặc trưng hiệu suất của laser diode phụ thuộc vào một số nhân tố, gồm tính chất điện của chất bán dẫn, quá trình nuôi cấy được sử dụng trong khi chế tạo nó, và tạp chất được sử dụng. Bước sóng phát ra bởi môi trường laser là một hàm của độ rộng khe của chất liệu và các tính chất khác, phụ thuộc vào thành phần chất bán dẫn. Sự phát triển liên tục hứa hẹn mở rộng phạm vi bước sóng có thể dùng được trong các diode laser thương mại. Hiện nay, laser diode bán dẫn có bước sóng trên 1100 nm được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng viễn thông sợi quang. Đa số các laser thuộc loại này dựa trên lớp hoạt tính của hợp chất iridium-gallium-arsenic-phosphorus (InGaAsP) có tỉ lệ khác nhau, và chủ yếu phát ra tại 1300 hoặc 1550 nm. Một phần trăm nhỏ của phát xạ 1300 nm được truyền tới võng mạc của mắt, còn ở bước sóng dài hơn 1400 nm, giác mạc là đối tượng bị tổn hại. Sự thương tổn mắt đáng kể không có khả năng xảy ra, ngoại trừ các mức công suất khá cao. Đa số laser diode phát xạ trong vùng 1300 nm có công suất thấp và không có sự nguy hại nghiêm trọng trừ khi chùm tia trực tiếp đi vào mắt trong thời gian dài. Các chùm laser diode không chuẩn trực và các chùm ló ra khỏi sợi quang bị phân kì nhanh chóng, mang lại một mức độ an toàn. Kính bảo hộ an toàn phải được dùng với chùm laser công suất cao nếu như phát xạ không hoàn toàn được chứa bên trong sợi quang. Để làm thẳng hàng chùm tia hồng ngoại gần trong quang cụ trong lúc đeo kính bảo hộ khóa hồng ngoại, thì màn hình huỳnh quang hoặc các dụng cụ xem hồng ngoại khác phải được sử dụng. Laser diode hoạt động ở điện thế và dòng điện thấp, và vì vậy thường không có mối hiểm họa về điện.

Các laser diode phát xạ tại bước sóng danh nghĩa dưới 1100 nm chủ yếu dựa trên hợp chất gallium arsenide, và sự phát triển liên tục của các chất liệu mới và quá trình chế tạo đang mở rộng dần phạm vi công suất phát xạ đến những bước sóng ngày càng ngắn. Với những ngoại lệ nhất định, diode laser về cơ bản yêu cầu cùng mức độ đề phòng như các loại laser khác hoạt động trong vùng bước sóng tương ứng và tại mức công suất tương đương. Như đã nói ở phần trước, một nhân tố làm hạn chế mối nguy hại tiềm tàng trong một số trường hợp là sự phân kì cao của chùm laser diode, làm phân bố công suất chùm tia trên một diện tích rộng trong vòng một cự li ngắn tính từ mặt phát xạ của chất bán dẫn. Tuy nhiên, khi một ứng dụng yêu cầu thêm sự hội tụ quang, hoặc một số phương pháp chuẩn trực khác, thì nhân tố này bị phủ nhận. Laser diode dựa trên hệ indium-gallium-nhôm-phosphorus (InGaAlP) đang được sử dụng, phát ra bức xạ 635 nm ở mức mili watt, và những laser này yêu cầu đề phòng an toàn tương tự như đối với laser helium-neon có cùng công suất. Những biến thể laser khác dựa trên những thành phần diode tương tự phát xạ tại bước sóng 660 hoặc 670 nm, và mặc dù phản ứng khó chịu tự nhiên của mắt mang lại một số sự bảo vệ, nhưng mắt hầu như không nhạy với những bước sóng này như đối với bức xạ 635 nm, và việc sử dụng kính bảo hộ an toàn là cần thiết. Phải thận trọng nhằm đảm bảo sự hấp thụ trọn vẹn ở những bước sóng thích hợp, vì kính bảo hộ được thiết kế để bảo vệ mắt tại những bước sóng dài hơn có thể không hiệu quả tại 660 hoặc 670 nm.

Các kết cấu gallium-nhôm-arsenide (GaAlAs) đa dạng được sử dụng để chế tạo laser diode có bước sóng phát xạ từ 750 đến gần 900 nm. Vì độ nhạy hạn chế của mắt tại 750 nm (một độ nhạy yếu với ánh sáng đỏ là có thể), và hoàn toàn thiếu cảm giác tại những bước sóng dài hơn, nên những laser có mức nguy hại cho mắt lớn hơn các laser ánh sáng khả kiến. Công suất lớn hơn nhiều sử dụng trong diode laser phát xạ trong vùng này (lên tới vài watt trong dãy diode) có thể làm tổn hại mắt sau một sự phơi sáng ngắn ngủi. Vì chùm tia không nhìn thấy, nên phản ứng khó chịu của mắt không xảy ra, và kính bảo hộ phải được sử dụng, nhất là với laser công suất cao. Lại còn sự phát xạ bước sóng dài hơn (980 nm) bởi laser indium-gallium-arsenide (InGaAs), và kính bảo hộ được chứng nhận làm suy yếu bức xạ 980 nm được dùng, thì một lần nữa do sự nguy hiểm của bức xạ không nhìn thấy tình cờ được phép đi vào mắt.

Tóm lại, các nguy hại chính liên quan tới việc sử dụng laser trong bất kì ứng dụng nào là sự rủi ro gây thương tổn cho mắt và da do tiếp xúc với chùm tia, và mối hiểm họa về điện có mặt bởi điện thế cao trong laser. Việc đo đạc là cần thiết để tránh phơi sáng trước chùm tia (đặc biệt là mắt), và không có gì đảm bảo cả nên việc đeo kính bảo vệ mắt là cần thiết. Bốn nhân tố quan trọng trong việc lựa chọn kính bảo hộ hoặc các bộ lọc chặn chùm tia khác, đó là: bước sóng laser, chùm tia dạng xung hay liên tục, loại môi trường laser (chất khí, chất bán dẫn,…), và công suất phát laser.

Có những hiểm họa khác ngoài chùm tia laser trong việc sử dụng laser, một số trong đó có liên quan tới những ứng dụng hiển vi, và những nguy hại khác không chắn chắn sẽ có. Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, laser được dùng để thực hiện tiến trình cắt và hàn, và đun nóng có thể làm phát ra hơi khói độc hại, chúng phải được loại bỏ an toàn khỏi môi trường làm việc. Loại nguy hiểm này có với laser dùng trong kính hiển vi quang học, nhưng các vấn đề an toàn khác phải được xét tới. Trong hệ bơm bằng đèn flash, hiểm họa nổ tiềm tàng có mặt do việc thiết lập áp suất cao bên trong ống flash. Thiết bị bọc ngoài phải được thiết kế và duy trì để chứa các mảnh của đèn nếu loại nổ này xảy ra. Các chất khí đông đặc, như nitrogen lỏng hoặc helium lỏng, có thể được dùng làm lạnh laser (ví dụ laser ruby hoặc tinh thể neodymium) và da trần là đối tượng bị tổn thương cháy nếu như tiếp xúc với chất lỏng lạnh. Nếu như lượng đáng kể chất khí đông đặc thông vào một phòng kín hoặc một không gian giới hạn khác, chúng có khả năng chiếm chỗ không khí trong phòng và tạo ra bầu không khí thiếu oxygen. Mối nguy hại về điện đi cùng với thiết bị laser đã được thảo luận ở trên, nhưng không thể không nhấn mạnh một lần nữa, vì thực tế là các vỏ bao thiết bị, thường bảo vệ người dùng khỏi dòng điện, lắm khi được tháo dỡ trong khi lắp đặt, canh chỉnh, bảo dưỡng và giữ gìn laser. Một số loại laser (nhất là loại IV) có mối nguy hại về lửa nếu như chùm tia tiếp xúc với các chất dễ cháy, và các chất chống cháy phải được sử dụng ở những nơi nào mà chùm tia có khả năng rọi tới.

Trong đa số các phòng thí nghiệm thuộc trường đại học và chính phủ, cũng như trong các môi trường công nghiệp và đoàn hội khác, một khuôn khổ chính thức tồn tại trong việc quản lí các thủ tục an toàn phải được tuân thủ trong các hoạt động có khả năng gây nguy hiểm, bao gồm cả việc sử dụng laser. Nguyên tắc chung vạch ra trong bài này không phải là có định thay thế những yêu cầu đặc biệt cho cá nhân an toàn trong tình huống làm việc riêng lẻ. Thông thường thì một văn phòng an toàn môi trường địa phương sẽ chuẩn bị công bố các thủ tục được tuân thủ dưới sự chỉ đạo của một viên chức an toàn laser, hoặc một người chịu trách nhiệm đào tạo và thực thi các thủ tục an toàn thích hợp trong cơ quan có thiết bị đó, và bất kì người dùng laser nào cũng phải chắc chắn rằng các thủ tục an toàn đã được tuân thủ. Đây là điều mấu chốt, không chỉ ngăn ngừa sự thương tổn không có khả năng hồi phục cho người dùng laser, mà còn bảo vệ khách khứa hoặc những người khác có thể tình cờ trở thành đối tượng bị tổn hại bởi thiết bị laser.

Tác giả: Thomas J.Fellers, Michael W.Davidson

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Các chuẩn cho hệ SI mới
10/08/2017
Trong khi nước Mĩ vẫn ngoan cố sử dụng các đơn vị Anh như dặm, pound và độ Fahrenheit, thì phần đông thế giới thống nhất
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 2)
05/07/2017
muon (mu-meson; gọi tắt) Người đặt tên: Carl Anderson và Seth Neddermeyer, 1938 Muon là thành viên của họ lepton và hành xử giống
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 1)
26/06/2017
Làm thế nào proton, photon và các hạt khác có được tên gọi của chúng? Theo năm tháng, các nhà vật lí đã đặt tên cho những
Lần đầu tiên làm lạnh laser các phân tử ba nguyên tử
08/05/2017
Lần đầu tiên các phân tử gồm ba nguyên tử đã được làm lạnh xuống nhiệt độ cực lạnh bằng kĩ thuật laser. Thành tựu
Bí ẩn “sương xanh”
21/04/2017
Tại sao những chất lỏng nhất định chuyển thành màu xanh khi nguội đi là một bí ẩn khiến các nhà khoa học bối rối trong hơn
[Sách] Albert Einstein - Mặt nhân bản
10/04/2017
TVVL giới thiệu bài viết của giáo sư Nguyễn Xuân Xanh về tập sách Albert Einstein - Mặt Nhân Bản vừa phát hành ở Việt Nam, do
Thế nào là một đơn vị thiên văn?
30/03/2017
Khi đương đầu với vũ trụ, con người thích diễn đạt các thứ theo những thuật ngữ quen thuộc. Khi khảo sát các ngoại hành
Nguyên tố Arsenic
26/03/2017
Số nguyên tử: 33 Trọng lượng nguyên tử: 74,92160 Màu: xám Pha: rắn Phân loại: á kim Điểm nóng chảy: không rõ Điểm thăng
Vui Lòng Đợi

Đọc nhiều trong tháng

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com