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 nguồn laser có thể tự bị phá hủy các thấu kính 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.

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 nguồn laser có thể tự bị phá hủy các thấu

kính 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

-An toàn đối với thiết bị laser

-An toàn đối với người sử dụng

Dạng hư hỏng trong thiết bị laser

• Xung laser công suất cao của laser gây nên hỏng hóc thanh hoạt chất, gương và các chi tiết quang

• Sự phá hủy các vật liệu quang xảy ra 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

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

• Sự tồn tại các phần tử hấp thụ trong vật liệu 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

-Bụi bẩn

-Vết tay người

• Gương laser

• + Gương kim loại: dùng bạc, vàng,gốm đánh

bóng… có hệ số phản xạ không lớn 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 Thường

dùng cho laser bước sóng ngắn

Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng giao thoa

• Cấu tạo: Gồm nhiều lớp điện môi có chiết suất n1

và n2 xen kẽ nhau với chiều dày quang học bằng một phần tư bước sóng bức xạ:

Các chất liệu để chế tạo gương laser nhiều lớp:

Vật liệu Chiết xuất(=0,7µ) Vùng phổ truyền ) Vùng phổ truyền

qua(µ) Vùng phổ truyền m)

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)

(µ) Vùng phổ truyền m)

• 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: gây tổn thương cho mắt và bỏng da

• 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 ( Đặc biệt là ở chế độ xung cực ngắn)

• Laser ở vùng cực tím λ< 0,4 μm < λ< 0,7 μm và vùng gần hồng m 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

• Đặc trưng phổ của mắt người

Nd Rubi

HeNe Ar++

0,2

1500 nm 1000

Pho truyen qua cua mat

Pho hap thu cua vong mac

Buoc song 

• Sự tác động lên võng mạc sẽ lớn hơn rất nhiều vì vết hội tụ ở võng mạc có thể đạt tới 20 μm < λ< 0,7 μm và vùng gần hồng m.

• Độ tăng mật độ công suất tỉ lệ với (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

A

do phan xa 1

• 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

• 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

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

• -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 Standards Institut.

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

Nhãn cảnh báo nguồn bức 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.

• Cấp IIIA: Các laser không gây nên tổn thương

khi nhìn trong tời gian ngắn , song sẽ gây nên tổn thương nếu có thấu kính quang hội tụ.

Cấp IIIB : Gồm phần lớn các nguồn laser hiện đại có

khả năng gây nguy hiểm khi nhìn trực tiếp.

• Cấp IV: Các laser công suất cao, liên tục trên

500mW, xung 10J/s hoặc phản xạ phân tán Gây tổn thương khi nhìn trựctiếp và cả khi tán xạ, gây nên bỏng da Cần thiết phải kiểm soát được dễ

dàng đối với laser cấp IV.

• Bảng phân loại một số laser thông dụng theo ANSI.

Laser  (m) Loại I Loại II Loại III Loại IV

Lưu ý: - Các laser ở bảng là ngưỡng của xung 1 tần số.

- Khi là laser có tần số xung cao ngưỡng chọn sẽ phải thấp hơn bảng

Các biện pháp an toàn ứng với chuẩn ANSI

Tên gọi cấp Loại laser Biện pháp bảo hiểm

I Các laser không nguy hiểm Không cần thiết

II Các laser công suất nhỏ ở vùng nhìn thấy Theo các chỉ dẫn in trên laser

III Laser công suất trung bình 11 biện pháp: Bảo vệ mắt, làm việc trong buồng đặc biệt,

hạn chế đường đi tia, các chỉ

• Dấu hiệu cảnh báo mức độ nguy hiểm của ANSI

Dấu hiệu cảnh báo của ANSI trong thời gian sửa chữa:

• Nền trắng với biểu tượng laser màu đỏ, với nền

màu xanh nước biển và chữ màu đen

-Bảo vệ mắt

-Che kín đường đi của chùm tia laser

-Bảo vệ mắt theo mức độ nguy hiểm khi làm việc thực tế

-Dùng kính, mặt nạ

Bảo vệ với các nguy hiểm liên quan

-Tác dụng hoá học: găng tay, lọc khói

-Tác dụng điện: che kín, cách điện