Воздействие лазерного излучения

 

 

 

Воздействие лазерного  излучения

 

1. Физиологические эффекты  при воздействии лазерного излучения  на человека

 

Непосредственно на человека оказывает  лазерное излучение любой длины  волны; однако в связи со спектральными  особенностями поражения органов  и существенно различными предельно допустимыми дозами облучения обычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека.

 

 

2. Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий.

 

 

В систему документов, устанавливающих  единую систему обеспечения лазерной безопасности, входят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда на лазерных установках.

 

К опасным и вредным производственным факторам относятся:

 

- лазерное излучение (прямое рассеянное, прямое, отраженное);

 

- световое излучение (УФ, видимое,  ИК) от источников накачки или  кварцевых газоразрядных трубок, а также от плазменных факелов  и материалов мишени;

 

- шум и вибрации;

 

- ионизирующие и рентгеновское  излучение (при анодом напряжении более 5 КВ);

 

- продукты взаимодествия ЛИ  и мишеней;

 

- высокое напряжение в цепях  питания;

 

- ВЧ- и СВЧ-поля от генераторов  накачки;

 

- нагретые поверхности;

 

- токсичные и агрессивные вещества, используемые в конструкции лазера;

 

- опасность взрывов и пожаров.

 

Все факторы нормируются соответствующими ГОСТами.

 

2.1. Классы опасности лазерного излучения по СНиП 5804-91.

 

Наиболее опасно лазерное излучение  с длинной волны:  0.38 -

 

1.40 мкм. - для сетчатки глаза; 0.18 - 0.38 мкм. и свыше 1.40 мкм. - для передних сред глаза; 0.18 - 100 мкм. (т.е. во всем диапазоне) - для кожи.

 

При конструировании лазерных установок  руководствуются принцыпом исключения воздействия ЛИ на человека.

 

По степени опасности ЛИ делится  на 4 класса:

 

1 класс - полностью безопасное ЛИ;

 

2 класс - ЛИ представляет опасность  для кожи и глаз при облучении  коллимированным пучком, но безопасно  при диффузном облучении;

 

3 класс - ЛИ видимого диапазона  опасно для глаз (коллимированное  и диффузное излучение на расстоянии  менее 10 см. от отражающей поверхности) и кожи (коллимированный пучок);

 

4 класс - диффузно отраженное  ЛИ опасно для кожи и глаз  на расстоянии менее 10 см.

 

 Лазерное излучение характеризуется некоторыми особенностями:

 

1 - широкий спектральный (&=0.2..1 мкм)  и динамический (120..200 дБ);

 

2 - малая длительность импульсов  (до 0.1 нс);

 

3 - высокая плотность мощности (до 1e+9 Вт/см^2) энергии;

 

4. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения

 

3. Измерение мощности и энергии лазерного излучения.

 

Энергия[Дж] - энергия, переносимая лазерным излучением - W Мощность [Вт] - энергия, переносимая лазерным излучением

 

в единицу времени - P

 

Средства измерения содержат:

 

1) ПИП - приемник (первичный) измерительный  преобразователь

 

2) Измерительное устройство

 

3) Регулирующее или отсчетное  устройство

 

В ПИП энергия преобразуется  в тепловую или механическую или  в электрический сигнал

 

ПИП делятся на два типа: поглощающего и проходного

 

В ПИП поглощающего типа, поступая на вход, энергия лазерного излучения почти полностью поглощается и рассеивается в нем.

 

В ПИП проходящего типа рассеивается лишь поступившей на вход энергии  излучения, а большая часть излучения  проходит через преобразователь  и может быть использована для  требуемых целей.

 

Измерительное устройство включает преобразовательные элементы и измерительную цепь. Их назначение - преобразование выходного сигнала ПИП в сигнал, подаваемый на отсчетное устройство.

 

Отсчетное или регистрирующее устройство служит для считывания или регистрации  значения измеряемой величины.

 

 Тепловой метод

 

 

Сущность метода состоит в том, что энергия излучения при  взаимодействии с веществом ПИП  превращается в тепловую энергию, которая  впоследствии измеряется.

 

Для измерения тепловой энергии, выделяющейся в ПИП, обычно используют:

 

-термоэлектрический эффект Зеебека  (возникновение тепловой ЭДС между  нагретыми и холодными спаянными проводниками из двух разных металлов или проводников );

 

-болометрический эффект (явлении изменения сопротивления металла или полупроводника при изменении температуры);

 

-фазовые переходы "твердое тело-жидкость" (лед-вода);

 

-эффект линейного или объемного расширения веществ при нагревании;

 

Необходимо отметить, что все  тепловые ПИП в принципе являются калориметрами .

 

К достоинствам калориферов относятся:

 

-широкий спектральный и динамический  диапазон работы;

 

-высокая линейность, точность, стабильность характеристик;

 

-простота конструкции;

 

Тепловой  поток : Ф=Gt (Tk -To ), где Gt - тепловая проводимость; Rt/1=1/Gt - тепловое сопротивление.

 

Уравнение теплового равновесия имеет вид: dT(t)   T(t)

 

P(t)=C*----- + ---- , где P(t) - мощность, рассеиваемая  в dT      Rt

 

калориметре; C - теплоемкость;

 

T=Tk-To

 

Если в  ПИП чувствительным элементом является термометрическое сопротивление, которое  непосредственно воспринимает оптическое излучение и в нем присутствует приемный элемент, то такой ПИП называется болометром.

 

Принцип работы пироэлектрических ПИП основан  на использовании пироэлектрического эффекта, наблюдаемого у ряда нецентросимметричных кристаллов при их облучении и проявляющегося в возникновении зарядов на гранях кристалла перпендикулярных особенной полярной оси. Если изготовить небольшой конденсатор и между его обкладками поместить пироэлектрик, то изменения температуры, обусловленное поглощением излучения, будут проявляться в виде изменения заряда этого конденсатора и могут быть зарегистрированы.

 

Выходной  сигнал пироэлектрических ПИП пропорционален скорости изменения среднего прироста температуры (d T/dt) чувствительного  элемента. Следствием этого является высокое быст­родействие пироприемников (до 1E- c), а также их чувствительность, большой динамический диапазон; широкий спектральный диапазон (0.4..10.6 мкм). Конструктивно чувствительный элемент пироприемника не отличается от калометрических ПИП, за исключение самого чувствительного элемента, выполненного из пироэлектрика.

 

В промышленности наибольшее распространение получили приемники на основе титана бария, на основе керамики цирконат - титанат  бария.

 

 Фотоэлектрический метод

 

Основан на переходе носителей заряда под действием фотонов измеряемого излучения на более высокие энергетические уровни.

 

В качестве ПИП используют фотоприемники (ФП), которые делятся на 2-е группы : с внешним и внутренним фотоэффектом. Внешний заключается в выбивании  фотоном электрона из металла, находящегося в вакууме, внутренний - в переходе электронов из связывающего состояния под действием фотонов в свободное т.е. в возбужденное состояние внутри материалов. В обоих случаях переход происходит при поглощении веществом отдельных квантов излучения, поэтому ФП являются квантовыми преобразователями. Выходной электрический сигнал ФП зависит не от мощности падающего излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого кванта.

 

Общее выражение преобразования входного оптического сигнала в выходной электрический сигнал :

 

I-Iфп+Iт=S P+Iт

 

 

Где I - полный ток, протекающий через  фотоприемник [A] Iфп - ток через фотоприемник, вызванный падающим по-

 

током излучения [A]

 

Iт  - темновой ток [A]

 

S - абсолютная спектральная чувствительность [A/Вт] P - мощность падающего на  ФП излучения [Вт]

 

Фотоприемники с внешним фотоэффектом

 

Энергия фото ЭДС, испущенных с поверхности  катода под действием Э/М излучения :

 

W=hv-w

 

 

где w - постоянная, зависящая от природы  материала фотокатода.

 

Испускание e происходит лишь при hv > w = hv , где v - пороговая частота, наже которой фотоэффект невозможен.

 

Длину волны &=C/v называют границей фотоэффекта.

 

К ФП на основе внешнего фотоэффекта  относятся вакуумные приборы : фотоэлементы (ФЭ) и фотоумножители (ФЭУ).

 

S&=Qэф*&/1.24, где Qэф - эффективный  квантовый выход. Шумы и  шумовые  токи  ФЭ  сравнительно невелики,  однако

 

из-за низкой чувствительности ФЭ нецелесообразно  применять их для измерения малых  уровней сигналов.

 

ФЭУ обладают высокой чувствительностью  благодаря наличию умножительной (динодной) системы.

 

m

 

Коэффициент усиления ФЭУ : M=П           ,

 

i=1

 

Где           - коэффициент вторичной эмиссии i-го динода

 

- коэффициент сбора электронов m - число каскадов усиления.

 

S = S * M , где S - абсолютная спектральная  чувствительность фотокатода.

 

Чувствительность ФЭУ может  достигать ~1E А/Вт в max спектральной характеристике.

 

Фотопреобразователи на основе внутреннего  фотоэффекта

 

К ним относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Действие ФР основано на явлении фотопроводимости,  заклю-

 

чающееся в возникновении свободных  носителей заряда в некоторых  п/п и диэлектриках при падении  на них оптического излучения. Фотопроводимость приводит к уменьшению электрического сопротивления, и соответственно, к  увеличению тока, протекающего через  ф/р.

 

U      &

 

S = e*V*Q           --- * ----

 

e      1.24

 

где e - заряд электрона

 

V - объем освещенной части п/п

 

Q - квантовый выход внутреннего  фотоэффекта

 

 

- подвижность носителей

 

U - напряжение, приложенное к ФР

 

Действие кремниевых и германиевых  ФД: возникновение под действием излучения неосновных носителей, которые диффундируют через p-n переход и ослабляют электрическое поле последнего, что приводит к изменению электричекого тока в цепи. Фототок зависит от интенсивности падающего излучения. Для измерения энергетических параметров лазерного излучения обычно используют фотодиодный режим (с питанием).

 

S =т* *Q*&(1-p)/1.24 где т - коэффициент  пропускания окна прибора; - коэффициент  собирания носителей; Q - квантовый  выход; & - длина волны излучения; p - коэффициент отражения.

 

Темновые токи у кремниевых фотодиодов примерно на порядок ниже, чем у  германиевых и достигают 1E-5 .. 1E-7 A.

 

Для измерения относительно больших  уровней мощности и энергии целесообразно  применять ПИП с невысокой  чувствительностью, т.е. ФЭ. Для измерения средних уровней энергетических параметров лазерного излучения можно применять как вакуумные приборы так и п/п.

 

Фотодиоды уступают по чувствительности ФЭУ, однако ФД обладают низким уровнем  шума.

 

Преимущества ФД по сравнению с  ФЭУ:

 

- небольшие габариты

 

- низковольтное питание

 

- высокая надежность

 

- механическая прочность

 

- более высокая стабильность  чувствительности

 

- низкий уровень шумов

 

Недостатки :

 

- меньшее быстродействие

 

- сильное влияние температуры  на параметры и характеристики прибора.

 

 Пондеромоторный  метод

 

В пондеромоторных измерителях  энергии и мощности лазерного  используется эффект П.Н. Лебедева. Лазерное излучение падает на тонкую приемную пластинку и давит на нее. Давление (сила) измеряется чувствительным преобразователем.

 

Классический прибор для измерения  малых сил - крутильные весы. При  попадании оптического излучения  на приемное крыло подвижная система  отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении мощности или энергии.

 

Значение угла __ при воздействии  на нее непрерывного излучения мощностью P:

 

где p - коэффициент отражения пластины

 

т - коэффициент пропускания входного окна камера

 

- угол падения излучения на  пластинку

 

C - скорость света

 

K - жесткость подвеса

 

где W - энергия излучения

 

J - момент инерции вращающейся  системы

 

Для отсчета угла поворота крутильных весов часто используют емкостной  преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин  конденсатора, включаемого в  резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора изменяется, меняется частота генерации, что измеряется частотным детектором. Такая конструкция громоздка, хотя и очень чувствительна.

 

Другой способ реализации высокочувствительной системы отсчета является схема с 2-мя ф/р. При отклонении системы, освещенность ф/р меняется, мост разбалансируется и в его измери­тельной диагонали появляется ток, пропорционален углу отклонения, который регистрирует mA.

 

Помимо крутильных весов для измерения широко используется механотроны, которые представляют собой электровакуумный прибор с механически управляемой электродами. При воздействии внешнего механического сигнала в механотроне происходит перемещение подвижных электронов, что вызывает соответствующее изменение анодного тока.

 

Достоинства и недостатки методов:

 

Достоинства теплового метода:

 

1) широкий спектр и динамический  диапазон измерений

 

2) простота и надежность измерительных  средств