Безопасность жизнедеятельности : основы безопасности при работе с лазерным излучением

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


№ 667

       ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
              МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ




                МИСиС





  Кафедра безопасности жизнедеятельности





                Безопасность жизнедеятельности




            Основы безопасности при работе с лазерным излучением


 Учебное пособие


 Рекомендовано редакционно-издательским советом университета








Москва Издательский Дом МИСиС 2009

УДК 621.375.826 + 658.345 Б40



Рецензент
д-р техн. наук, проф. Л.С. Стрижко




          Авторы: А.Н. Веремеевич, О.М. Зиновьева, И.Г. Морозова, А.А. Павлов, Н.А. Смирнова, В.М. Жариков



        Безопасность жизнедеятельности: Основы безопасности
Б40 при работе с лазерным излучением: Учеб. пособие / А.Н. Вере-меевич, О.М. Зиновьева, И.Г. Морозова и др. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. - 55 с.




          В учебном пособии рассмотрены меры защиты от некоторых опасных и вредных производственных факторов, характеризующих условия труда рабочего персонала технологических лазеров. Приведены основные принципы нормирования воздействия лазерного излучения и классификации лазерных установок по степени опасности генерируемого излучения. Представлены примеры определения предельно допустимых уровней лазерного излучения и классов лазерных изделий.
          Соответствует программе курса «Безопасность жизнидеятельности».
          Учебное пособие предназначено для выполнения раздела «Безопасность жизнедеятельности» дипломных проектов и работ для студентов, обучающихся по специальности 280100 «Безопасность жизнедеятельности» и 150404 «Металлургические машины и оборудование», а также для студентов и преподавателей всех специальностей и кафедр института в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ.











                                  © Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС), 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................4
1. Теоретические основы устройства лазера...................6
  1.1. Физические основы работы лазера......................6
    1.1.1. Принципы работы лазеров..........................6
    1.1.2. Основные свойства лазерного излучения............8
    1.1.3. Оптические системы лазерных установок ......... 10
  1.2. Инженерные основы создания технологических лазеров . 16
    1.2.1. Достоинства лазерной технологии при обработке материалов ........................................... 16
    1.2.2. Классификация технологических лазеров.......... 17
  1.3. Требования к промышленным технологическим лазерам.. 19
  1.4. Автоматизированные лазерные технологические комплексы .............................................. 21
  1.5. Области применения технологических лазеров .........22
    1.5.1. Лазерная сварка ................................22
    1.5.2. Поверхностная и разделительная лазерная сварка..23
    1.5.3. Лазерная обработка поверхностей и деталей.......25
2. Характеристика условий труда при эксплуатации лазеров . 26
  2.1. Факторы, сопутствующие эксплуатации лазерной установки ......................................26
    2.1.1. Первичные и вторичные факторы...................26
    2.1.2. Воздействие лазерного облучения.................29
    2.1.3. Воздействие аэрозолей и вредных химических веществ.....................................30
    2.1.4. Акустический шум ...............................31
    2.1.5. Вибрация и повышенное значение напряжения.......32
    2.1.6. Электромагнитные поля...........................32
    2.1.7. Ионизирующие излучения..........................32
    2.1.8. Параметры микроклимата..........................32
  2.2. Нормирование воздействия лазерного излучения........33
  2.3. Классификация лазеров по степени опасности генерируемого излучения..................................41
  2.4. Методы и средства защиты от лазерного излучения ....45
Библиографический список...................................53

3

ВВЕДЕНИЕ

   С давних времен человек в своих мечтах видел в световом излучении надежного и могучего помощника, свободно проникающего в темницы, способного разрушить любые преграды и защитить от любого врага. Всемирно известны романы «Война миров» Герберта Уэллса и «Гиперболоид инженера Гарина» Алексея Толстого. Правда, в этих романах тепловой и световой луч оказывается в руках сил зла; люди же мечтали о луче-труженике, луче-помощнике, луче-созидателе. В середине ХХ века этой мечте суждено было сбыться.
   Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники ХХ века.
   Как заметил академик А.П. Александров, «всякий мальчишка теперь знает слово лазер». И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах -квантовой электроники - академик Н.Г.Басов отвечает на этот вопрос так: «Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки».
   А все начиналось с двух работ А. Эйнштейна, опубликованных в 1916 г. Первая называлась «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории», а вторая - «К квантовой теории излучения».
   А. Эйнштейн показал, что существует два различных процесса испускания энергии молекулами вещества. Наряду с обычным, спонтанным (самопроизвольным) испусканием возможен процесс испускания под воздействием излучения окружающей молекулы среды.

4

Эйнштейн назвал этот процесс индуцированным (вынужденным) излучением. Именно этот процесс и лежит в основе работы лазера. Само слово «лазер» составлено из начальных букв английского словосочетания «Light Amplification by Stimulated Emission of Ra-diation», что в переводе означает «усиление света вынужденным излучением».
   Первое экспериментальное подтверждение возможности усиления света было получено в 30-х гг. советским ученым В.А. Фабрикантом. В 1958 г. В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудынский получили авторское свидетельство на изобретение, а в 1962 г. и диплом на открытие с приоритетом от 1951 г. с формулой открытия: «Установлено неизвестное ранее явление усиления электромагнитных волн при прохождении через среду, в которой концентрация частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденному состоянию, избыточна по сравнению с концентрацией в равновесном состоянии». Таким образом, был доказан факт существования индуцированного излучения. С 1950 по 1960 гг. работы по изучению возможности применения этого явления на практике были развернуты во многих странах мира. За основополагающие работы по квантовой электронике советским физикам Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому ученому Ч. Таунсу в 1964 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Впервые получить лазерный луч удалось американскому инженеру Г. Мейману в 1960 году; это был рубиновый лазер. В 1961 г. А. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1962 г. появился полупроводниковый лазер на основе кристалла арсенида галлия. В 1964 г. С. Пател создал первый СО2-лазер. В 1965 г. Дж. Каспер и Дж. Пиментел создали химический лазер. В 1966 г. А.М. Прохоров создал новый тип мощного газового лазера - газодинамического. Таким образом, в период с 1962 по 1968 гг. были созданы, по существу, все основные типы лазеров и выявлено большинство областей их возможного применения. Когда вспыхнул луч первого в мире рубинового лазера, один из коллег Н.Г. Басова и А.М. Прохорова сказал: «Ну, вот, теперь черный квантовый ящик станет, пожалуй, давать больше, чем в него вкладывают!» Шутка оказалась пророческой. Редко какое другое достижение фундаментальной науки с первых своих шагов опередило столь далеко самые смелые прогнозы.

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА ЛАЗЕРА

1.1. Физические основы работы лазера

1.1.1. Принципы работы лазеров
   Лазерное излучение - это вынужденное монохроматическое излучение широкого диапазона длин волн от единиц нанометров до десятков и сотен микрометров. Наряду с волновой природой электромагнитное излучение во многих случаях проявляет корпускулярную природу: оно представляет собой последовательность дискретных порций (квантов) энергии, называемых фотонами. Так, например, в дифракции и интерференции преобладает волновая природа света, в других явлениях, обусловленных эффектами поглощения света атомными или молекулярными системами, -квантовая природа света.
   Как известно из квантовой электроники, внутренняя энергия атомов и молекул может принимать целый ряд фиксированных значений, характерных для данного типа атомов и молекул. Для простоты рассмотрим два уровня энергии - Е0 и Е1. Переход атома с верхнего на нижний уровень сопровождается излучением фотона. Энергия этого фотона равна разности между энергиями атомов в верхнем и нижнем состояниях. Если атомы не испытывают какого-либо внешнего воздействия, то они находятся в таком состоянии, которое можно назвать равновесным, т.е. число атомов в верхнем и нижнем энергетических уровнях не будет изменяться. При этом в соответствии с принципом Больцмана число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии, всегда несколько больше, чем число атомов в верхнем состоянии.
   Каждый атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии Е0, может перейти в верхнее энергетическое состояние Е1, поглотив один фотон. И соответственно каждый атом, находящийся в верхнем состоянии Е1, может перейти в нижнее состояние Е0, отдав излишнюю энергию в виде такого же фотона.
   Для генерации излучения необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне Е₁ было больше числа атомов на нижнем уровне Е₀. В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда находится меньшее число атомов, чем на более низ-6

ком. Для того чтобы верхний уровень был населен больше, чем нижний, необходимо принять специальные меры. В квантовой электронике такое состояние вещества носит название активного состояния с инверсной населенностью.
   Создание инверсной населенности активных частиц является основным условием получения лазерного излучения. В качестве активной среды, называемой также рабочим телом лазера, используют различные газовые смеси, твердые тела и жидкости.
   В технологических лазерах используют два способа создания инверсной населенности: оптическая и газоразрядная накачка.
   Оптическая накачка рабочего тела осуществляется потоком света от импульсной или непрерывно действующей газоразрядной лампы. Такой метод накачки используется для возбуждения лазеров, в которых рабочее тело является твердым или жидким.
   При газоразрядном методе накачки активные частицы рабочего тела подвергаются воздействию электрического разряда. Этот метод применяется в лазерах, рабочим телом которых являются различные газовые смеси.
   Оптический квантовый генератор (лазер) является источником излучения, возбуждаемого непосредственно в нем. Лазер состоит из двух необходимых компонентов: активной среды (т.е. рабочего тела) и резонатора. Активная среда в соответствии с рассмотренными выше условиями обладает инверсной населенностью. Оптический резонатор состоит условно из двух зеркал: плоского непрозрачного и параллельного ему плоского полупрозрачного.
   Для осуществления процесса генерации часть излучаемой энергии должна постоянно оставаться внутри активной среды, для того чтобы вызвать вынужденное излучение новых атомов. Эта задача и решается с помощью зеркал оптического резонатора. Непрозрачное зеркало отражает всю падающую на него энергию, а полупрозрачное пропускает только часть энергии, которая и является полезной энергией. Другая часть энергии отражается полупрозрачным зеркалом и служит для вовлечения в генерацию новых порций активной среды.
   Оптические резонаторы не только значительно увеличивают вероятность индуцированных (вынужденных) процессов, но и определяют характеристики лазерного излучения.

7

1.1.2. Основные свойства лазерного излучения
   Лазерное излучение характеризуется рядом уникальных свойств, которые обеспечивают его научное и промышленное применение. К их числу относятся большая интенсивность электромагнитной энергии, высокая монохроматичность, значительная степень временной и пространственной когерентности. Лазер отличается от других источников электромагнитной энергии очень узкой направленностью распространения излучения.
   В дальнейшем будем рассматривать преимущественно характеристики излучения лазеров в диапазоне длин волн 0,4...10,6 мкм, в котором генерируется излучение с достаточно высокими энергетическими параметрами, определяющими эффективное использование лазеров для технологических целей.

Интенсивность излучения
   В отличие от всех известных оптических источников, излучение лазеров обладает очень высокой интенсивностью. Мощность твердотельного лазера может достигать 10¹² Вт (это не рекордная цифра, но довольно высокая). Это излучение можно сфокусировать в малом пятне. Из оптики известно, что минимальный радиус пятна при фокусировке пропорционален длине волны, в результате этого плотность лазерного излучения может достигать чрезвычайно высоких значений (порядка 10¹⁷ Вт/см⁻² и более).

Монохроматичность
   Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является монохроматичность, которая характеризует способность лазеров излучать в узком диапазоне длин волн и определяется отношением разброса длин волн, представленных в лазерном луче, к средней длине волны. Для некоторой спектральной линии степень монохроматичности
ц = ДЛЛ₀ = Д('Н'),
где Д Л - ширина спектра; X - длина волны; w₀ - частота; w - скорость лазерного излучения.
   Это отношение крайне мало и составляет всего 10 ⁻⁶.10 ⁻⁸, а специальными мерами может быть уменьшено до 10 ⁻¹⁰. Поскольку значительная часть потока излучения приходится на очень узкий спектр излучения и не превосходит сотых долей микрометра, то спектраль-8

ная плотность мощности лазерного излучения на много порядков превосходит спектральную плотность мощности излучения других известных источников электромагнитной энергии.

Когерентность
   Монохроматичность тесно связана с одним из основных свойств лазерного излучения - его когерентностью. Слово «когерентность» означает согласованность. Когерентными называются колебания с одинаковой частотой и постоянной во времени разностью фаз. Это легко понять в сопоставлении с обычным полихроматическим излучением, которое свойственно нагретым телам. Оно состоит из набора волн с различной частотой, фазы которых хаотично изменяются во времени, и является типичным примером некогерентного излучения. В отличие от этого энергия лазерного излучения генерируется так, что вновь возникающее излучение оказывается в фазе с уже распространившимся в пространстве. Такое излучение определяется как когерентное.
   Пространственная когерентность обусловливает высокую направленность излучения и возможность фокусирования его на площадки малых размеров, что, как следствие, определяет максимально допустимую плотность мощности излучения.
   Целесообразность применения лазера в технологии во многом зависит от возможности транспортировки его излучения на большие расстояния и концентрации энергии пучка на малых площадях. Это зависит прежде всего от его пространственных характеристик: распределения интенсивности в лазерном пучке и его расходимости.
   Распределение интенсивности излучения на выходной апертуре лазера определяется типом используемого резонатора и модовым составом возбуждаемых в нем колебаний.
   Пространственные диаграммы излучения газовых лазеров определяются поперечными модами; их представляют в виде символов ТЕМmn (ТЕМ - сокращенно от Trasverse Electromagnetic), где m и n -малые целые числа, которые показывают число нулей в пространственной структуре, возникающей в двух ортогональных направлениях, поперечных к направлению распространения луча. Термин «мода» можно характеризовать как положение узлов с максимальной плотностью распределения интенсивности. Лазерное излучение по числу узлов поперечной моды подразделяют на четыре основных типа: ТЕМ00 (пучок с гауссовым распределением энергии, или ос


9

новная мода) для резки и выполнения отверстий, ТЕМ01 (донатово распределение) для закалки, а также ТЕМ m 0 (распределение Камабо-ко) и ТЕМmn (распределение по высоким гармоникам). Поперечные моды обусловлены резонансом внутри лазерного резонатора и имеют вид электромагнитного поля, определенного граничными условиями резонатора. В случае цилиндрического резонатора m обозначает число узлов поля на радиусе резонатора, а n - число узлов на половине его периметра. Как видно из рис. 1.1 и 1.2, с ростом поперечных модовых чисел число областей, в которых сосредоточено поле, возрастает, а их характерный размер, естественно, уменьшается. Так как именно этот размер определяет дифракционную расходимость лазерного излучения, моды высшего порядка хуже фокусируются и поэтому от них, как правило, стремятся избавиться. Теоретическая угловая расходимость лазерного излучения может быть столь малой, что определяется лишь явлением дифракции когерентных волн на выходе луча из резонатора. На практике расходимость излучения значительно превышает теоретическую. Но, несмотря на это, лазерное излучение все равно обладает исключительно высокой направленностью по сравнению с обычными источниками света, что позволяет передавать лазерную энергию на большие расстояния с очень малыми потерями. Типичный угол расходимости луча при работе лазера в основной моде (ТЕМ00 - гауссовская мода) - 0,001 радиан. Для типичного мощного многомодового лазера угол расходимости обычно составляет 0,015...0,020 рад.

1.1.3. Оптические системы лазерных установок
   Лазерное излучение, полученное на выходе из резонатора лазерной установки, нельзя непосредственно использовать для обработки материалов. Это связано с тем, что диаметр излучения составляет от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров и при этом не обеспечивается высокая степень концентрации энергии. Для увеличения концентрации энергии необходимо преобразовать лазерное излучение таким образом, чтобы на поверхности обрабатываемой детали лазерный луч имел значительно меньший диаметр (порядка сотых или десятых долей миллиметра). Это достигается с помощью оптических фокусирующих систем - линзовых или зеркальных.
   В различных технологических процессах лазерной обработки материалов возникает необходимость изменить направление лазерного

10

излучения, переместить лазерный луч в процессе обработки. С этой целью используются различные зеркальные оптические системы преобразования лазерного излучения.
   В зависимости от назначения зеркала геометрическая форма его поверхности может быть плоской либо криволинейной (сфера, парабола, гипербола и др.). Плоские зеркала применяют для поворота лазерного излучения. Криволинейные зеркала (в первую очередь сферические) используют для фокусировки лазерного излучения.
   Зеркала технологических лазеров в основном изготовляют с металлической отражающей поверхностью. При попадании лазерного излучения на поверхность металла происходит зеркальное отражение, диффузное рассеяние и поглощение в приповерхностном слое. Чтобы уменьшить диффузное рассеяние и поглощение, поверхность зеркала тщательно обрабатывают для достижения минимально возможной шероховатости. Металл для зеркал выбирают из условия обеспечения максимальной отражательной способности, характеризуемой коэффициентом Rотр зеркального отражения, представляющего собой отношение зеркально отраженной энергии к энергии падающего излучения. Чем ближе R отр к единице, тем выше качество зеркала и меньше потери энергии излучения при отражении. В табл. 1.1 даны значения R отр ряда металлов для различной длины волны лазерного излучения.


Таблица 1.1

Коэффициент отражения различных металлов

Металл R отр, %, при длине волны   Металл R отр, %, при длине волны   
       лазерного излучения, мкм           лазерного излучения, мкм    
       0,69    1,06     0,6               0,69   1,06    0,6         
  Al   7        93      98           Cr    56     58     93          
  Ag   5        97      99           Ni    68     75     95          
  Cu   2        91      99         Сталь   58     63       93...95   

   Требования к материалу, используемому для изготовления зеркал, следующие: R отр > 98 %; высокий коэффициент теплопроводности для быстрого отвода теплоты от рабочей поверхности зеркала; высокая твердость с целью облегчить полирование поверхности зеркала, обеспечить ее стойкость к разрушениям и

11