Ein Laser ist ein Gerät, das kohärente elektromagnetische Strahlungsenergie innerhalb des optischen Spektrums vom extremen Ultraviolett bis zum fernen Infrarot (Submillimeter) erzeugt. Der Begriff laser ist eigentlich ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Obwohl das Laserverfahren 1916 von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt wurde, wurde der erste erfolgreiche Laser erst 1960 demonstriert. In den letzten Jahren haben Laser ihren Weg aus dem Forschungslabor in die Industrie, Medizin und Büroumgebung sowie auf Baustellen und sogar gefunden Haushalte. Bei vielen Anwendungen, wie Videodisk-Playern und optischen Faserkommunikationssystemen, ist die Strahlungsenergie des Lasers eingeschlossen, der Benutzer ist keinem Gesundheitsrisiko ausgesetzt, und das Vorhandensein eines in das Produkt eingebetteten Lasers ist für den Benutzer möglicherweise nicht offensichtlich. Bei einigen medizinischen, industriellen oder Forschungsanwendungen ist die emittierte Strahlungsenergie des Lasers jedoch zugänglich und kann eine potenzielle Gefahr für Augen und Haut darstellen.
Da der Laserprozess (manchmal als „Lasern“ bezeichnet) einen stark kollimierten Strahl optischer Strahlung (d. h. ultraviolette, sichtbare oder infrarote Strahlungsenergie) erzeugen kann, kann ein Laser aus großer Entfernung eine Gefahr darstellen – ganz anders als die meisten Gefahren, denen man begegnet am Arbeitsplatz. Vielleicht ist es vor allem diese Eigenschaft, die zu besonderen Bedenken von Arbeitnehmern und Arbeitsschutzexperten geführt hat. Dennoch können Laser sicher verwendet werden, wenn geeignete Gefahrenkontrollen angewendet werden. Normen für den sicheren Umgang mit Lasern existieren weltweit, die meisten sind untereinander „harmonisiert“ (ANSI 1993; IEC 1993). Alle Normen verwenden ein Gefahrenklassifizierungssystem, das Laserprodukte entsprechend der Ausgangsleistung oder -energie des Lasers und seiner Fähigkeit, Schäden zu verursachen, in eine von vier breiten Gefahrenklassen einteilt. Entsprechend der Gefahreneinstufung werden dann Sicherheitsmaßnahmen angewandt (Cleuet und Mayer 1980; Duchene, Lakey und Repacholi 1991).
Laser arbeiten mit diskreten Wellenlängen, und obwohl die meisten Laser monochromatisch sind (sie emittieren eine Wellenlänge oder eine einzelne Farbe), ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Laser mehrere diskrete Wellenlängen emittiert. Beispielsweise emittiert der Argonlaser mehrere verschiedene Linien innerhalb des nahen Ultraviolett- und sichtbaren Spektrums, ist jedoch im Allgemeinen so ausgelegt, dass er nur eine grüne Linie (Wellenlänge) bei 514.5 nm und/oder eine blaue Linie bei 488 nm emittiert. Bei der Betrachtung potenzieller Gesundheitsgefahren ist es immer entscheidend, die Ausgangswellenlänge(n) festzulegen.
Alle Laser haben drei grundlegende Bausteine:
- ein aktives Medium (fest, flüssig oder gasförmig), das die möglichen Emissionswellenlängen definiert
- eine Energiequelle (z. B. elektrischer Strom, Pumplampe oder chemische Reaktion)
- ein Resonanzhohlraum mit Ausgangskoppler (in der Regel zwei Spiegel).
Die meisten praktischen Lasersysteme außerhalb des Forschungslabors haben auch ein Strahlführungssystem, wie z. B. eine optische Faser oder einen Gelenkarm mit Spiegeln, um den Strahl auf eine Arbeitsstation zu lenken, und Fokussierlinsen, um den Strahl auf ein zu schweißendes Material zu konzentrieren usw In einem Laser werden identische Atome oder Moleküle durch Energie, die von der Pumplampe geliefert wird, in einen angeregten Zustand gebracht. Wenn sich die Atome oder Moleküle in einem angeregten Zustand befinden, kann ein Photon („Partikel“ von Lichtenergie) ein angeregtes Atom oder Molekül dazu anregen, ein zweites Photon mit derselben Energie (Wellenlänge) zu emittieren, das sich in Phase (kohärent) und in derselben bewegt Richtung wie das anregende Photon. Somit hat eine Lichtverstärkung um einen Faktor zwei stattgefunden. Derselbe Vorgang, der in einer Kaskade wiederholt wird, bewirkt, dass ein Lichtstrahl entsteht, der zwischen den Spiegeln des Resonanzhohlraums hin und her reflektiert wird. Da einer der Spiegel teilweise transparent ist, verlässt etwas Lichtenergie den Resonanzhohlraum und bildet den emittierten Laserstrahl. Obwohl in der Praxis die beiden parallelen Spiegel oft gekrümmt sind, um einen stabileren Resonanzzustand zu erzeugen, gilt das Grundprinzip für alle Laser.
Obwohl mehrere tausend verschiedene Laserlinien (dh diskrete Laserwellenlängen, die für verschiedene aktive Medien charakteristisch sind) im Physiklabor demonstriert wurden, wurden nur etwa 20 kommerziell bis zu dem Punkt entwickelt, an dem sie routinemäßig in der Alltagstechnologie angewendet werden. Es wurden Lasersicherheitsrichtlinien und -normen entwickelt und veröffentlicht, die grundsätzlich alle Wellenlängen des optischen Spektrums abdecken, um derzeit bekannte Laserlinien und zukünftige Laser zu berücksichtigen.
Lasergefahrenklassifizierung
Aktuelle Lasersicherheitsnormen auf der ganzen Welt folgen der Praxis, alle Laserprodukte in Gefahrenklassen zu kategorisieren. Im Allgemeinen folgt das Schema einer Gruppierung von vier breiten Gefahrenklassen, 1 bis 4. Laser der Klasse 1 können keine potenziell gefährliche Laserstrahlung abgeben und stellen kein Gesundheitsrisiko dar. Die Klassen 2 bis 4 stellen eine zunehmende Gefahr für Augen und Haut dar. Das Klassifizierungssystem ist sinnvoll, da für jede Laserklasse Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben sind. Für die höchsten Klassen sind strengere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.
Klasse 1 gilt als „augensichere“, risikofreie Gruppierung. Die meisten vollständig geschlossenen Laser (z. B. Laser-CD-Recorder) gehören zur Klasse 1. Für einen Laser der Klasse 1 sind keine Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.
Klasse 2 bezieht sich auf sichtbare Laser, die eine sehr geringe Leistung emittieren, die nicht gefährlich wäre, selbst wenn die gesamte Strahlleistung in das menschliche Auge eindringt und auf die Netzhaut fokussiert würde. Die natürliche Abneigungsreaktion des Auges auf das Betrachten sehr heller Lichtquellen schützt das Auge vor Netzhautverletzungen, wenn die in das Auge eintretende Energie nicht ausreicht, um die Netzhaut innerhalb der Abneigungsreaktion zu schädigen. Die Abneigungsreaktion besteht aus dem Blinzelreflex (ca. 0.16–0.18 Sekunden) und einer Drehung des Auges und einer Bewegung des Kopfes, wenn er solch hellem Licht ausgesetzt wird. Aktuelle Sicherheitsstandards definieren die Aversionsreaktion konservativ als 0.25 Sekunden dauernd. Somit haben Laser der Klasse 2 eine Ausgangsleistung von 1 Milliwatt (mW) oder weniger, was der zulässigen Expositionsgrenze für 0.25 Sekunden entspricht. Beispiele für Laser der Klasse 2 sind Laserpointer und einige Ausrichtungslaser.
Einige Sicherheitsstandards beinhalten auch eine Unterkategorie der Klasse 2, die als „Klasse 2A“ bezeichnet wird. Laser der Klasse 2A sind bis zu 1,000 s (16.7 min) ungefährlich, wenn man hineinblickt. Die meisten Laserscanner, die in Verkaufsstellen (Supermarktkassen) und Inventarscannern verwendet werden, sind Klasse 2A.
Laser der Klasse 3 stellen eine Gefahr für das Auge dar, da die Abneigungsreaktion nicht schnell genug ist, um die Exposition der Netzhaut auf ein vorübergehend sicheres Niveau zu begrenzen, und auch andere Strukturen des Auges (z. B. Hornhaut und Linse) geschädigt werden könnten. Hautgefahren bestehen normalerweise nicht bei zufälliger Exposition. Beispiele für Laser der Klasse 3 sind viele Forschungslaser und militärische Laser-Entfernungsmesser.
Eine spezielle Unterkategorie der Klasse 3 wird als „Klasse 3A“ bezeichnet (wobei die verbleibenden Laser der Klasse 3 als „Klasse 3B“ bezeichnet werden). Laser der Klasse 3A sind solche mit einer Ausgangsleistung zwischen dem Ein- und Fünffachen der Grenzwerte für zugängliche Emissionen (AEL) für die Klasse 1 oder Klasse 2, aber mit einer Ausgangsbestrahlungsstärke, die den relevanten Arbeitsplatzgrenzwert für die niedrigere Klasse nicht überschreitet. Beispiele sind viele Laserausrichtungs- und Vermessungsinstrumente.
Laser der Klasse 4 können eine potenzielle Brandgefahr, eine erhebliche Gefahr für die Haut oder eine Gefahr durch diffuse Reflexion darstellen. Praktisch alle chirurgischen Laser und Materialbearbeitungslaser, die zum Schweißen und Schneiden verwendet werden, sind Klasse 4, wenn sie nicht eingeschlossen sind. Alle Laser mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von mehr als 0.5 W gehören zur Klasse 4. Wenn eine höhere Leistung der Klasse 3 oder Klasse 4 vollständig umschlossen ist, sodass gefährliche Strahlungsenergie nicht zugänglich ist, könnte das gesamte Lasersystem Klasse 1 sein Gehäuse wird als ein bezeichnet eingebetteter Laser.
Arbeitsplatzgrenzwerte
Die Internationale Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP 1995) hat Richtlinien für Grenzwerte für die menschliche Exposition gegenüber Laserstrahlung veröffentlicht, die regelmäßig aktualisiert werden. Repräsentative Expositionsgrenzwerte (ELs) sind in Tabelle 1 für mehrere typische Laser aufgeführt. Nahezu alle Laserstrahlen überschreiten die zulässigen Belastungsgrenzen. Daher werden die Expositionsgrenzwerte in der Praxis nicht routinemäßig zur Festlegung von Sicherheitsmaßnahmen verwendet. Stattdessen wird das Laserklassifizierungsschema – das auf den unter realistischen Bedingungen angewendeten ELs basiert – wirklich zu diesem Zweck angewendet.
Tabelle 1. Expositionsgrenzwerte für typische Laser
|
Art des Lasers |
Hauptwellenlänge(n) |
Belastungsgrenze |
|
Argonfluorid |
193 nm |
3.0 mJ/cm2 über 8 Std |
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Xenonchlorid |
308 nm |
40 mJ/cm2 über 8 Std |
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Argonion |
488, 514.5 Nanometer |
3.2 mW/cm2 für 0.1 s |
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Kupferdampf |
510, 578 Nanometer |
2.5 mW/cm2 für 0.25 s |
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Helium-Neon |
632.8 nm |
1.8 mW/cm2 für 10 s |
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Golddampf |
628 nm |
1.0 mW/cm2 für 10 s |
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Krypton-Ion |
568, 647 Nanometer |
1.0 mW/cm2 für 10 s |
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Neodym-YAG |
1,064 nm |
5.0 μJ/cm2 für 1 ns bis 50 μs |
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Kohlendioxid |
10–6 μm |
100 mW/cm2 für 10 s |
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Kohlenmonoxid |
≈5 μm |
bis 8 h, begrenzter Bereich |
Alle Standards/Richtlinien haben MPEs bei anderen Wellenlängen und Expositionsdauern.
Hinweis: Zur Umrechnung von MPE in mW/cm2 zu mJ/cm2, multiplizieren mit der Belichtungszeit t in Sekunden. Beispielsweise beträgt der He-Ne- oder Argon-MPE bei 0.1 s 0.32 mJ/cm2.
Quelle: ANSI-Standard Z-136.1 (1993); ACGIH TLVs (1995) und Duchene, Lakey und Repacholi (1991).
Lasersicherheitsnormen
Viele Nationen haben Lasersicherheitsnormen veröffentlicht, und die meisten sind mit der internationalen Norm der International Electrotechnical Commission (IEC) harmonisiert. Für Hersteller gilt die IEC-Norm 825-1 (1993); Es enthält jedoch auch einige eingeschränkte Sicherheitshinweise für Benutzer. Die oben beschriebene Lasergefahrenklassifizierung muss auf allen kommerziellen Laserprodukten angegeben werden. Auf allen Produkten der Klassen 2 bis 4 sollte ein der Klasse entsprechender Warnhinweis angebracht sein.
Sicherheitsmaßnahmen
Das Lasersicherheits-Klassifizierungssystem erleichtert die Bestimmung geeigneter Sicherheitsmaßnahmen erheblich. Lasersicherheitsnormen und Verhaltenskodizes erfordern routinemäßig den Einsatz immer restriktiverer Kontrollmaßnahmen für jede höhere Klassifizierung.
In der Praxis ist es immer wünschenswerter, den Laser und den Strahlengang vollständig einzuschließen, damit keine möglicherweise gefährliche Laserstrahlung zugänglich ist. Mit anderen Worten, wenn am Arbeitsplatz nur Laserprodukte der Klasse 1 eingesetzt werden, ist eine sichere Verwendung gewährleistet. In vielen Situationen ist dies jedoch einfach nicht praktikabel, und eine Schulung der Arbeiter in sicherer Verwendung und Maßnahmen zur Gefahrenabwehr ist erforderlich.
Abgesehen von der offensichtlichen Regel, einen Laser nicht auf die Augen einer Person zu richten, sind für ein Laserprodukt der Klasse 2 keine Kontrollmaßnahmen erforderlich. Für Laser höherer Klassen sind eindeutig Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.
Wenn eine vollständige Einhausung eines Lasers der Klasse 3 oder 4 nicht machbar ist, kann die Verwendung von Strahleinhausungen (z. B. Röhren), Leitblechen und optischen Abdeckungen das Risiko einer gefährlichen Augenexposition in den meisten Fällen praktisch eliminieren.
Wenn Einhausungen für Laser der Klassen 3 und 4 nicht machbar sind, sollte ein laserkontrollierter Bereich mit kontrolliertem Zugang eingerichtet werden, und die Verwendung von Laser-Augenschutz ist im Allgemeinen innerhalb der nominellen Gefahrenzone (NHZ) des Laserstrahls vorgeschrieben. Obwohl in den meisten Forschungslabors, in denen kollimierte Laserstrahlen verwendet werden, die NHZ den gesamten kontrollierten Laborbereich umfasst, kann die NHZ für Anwendungen mit fokussiertem Strahl überraschend begrenzt sein und nicht den gesamten Raum umfassen.
Um sich vor Missbrauch und möglichen gefährlichen Handlungen seitens unbefugter Laserbenutzer zu schützen, sollte die Schlüsselkontrolle verwendet werden, die auf allen kommerziell hergestellten Laserprodukten zu finden ist.
Der Schlüssel sollte gesichert werden, wenn der Laser nicht verwendet wird, wenn Personen Zugang zum Laser erhalten können.
Während der Laserausrichtung und der Ersteinrichtung sind besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, da die Gefahr schwerer Augenverletzungen dann sehr groß ist. Laserpersonal muss vor der Einrichtung und Ausrichtung des Lasers in sicheren Praktiken geschult werden.
Laserschutzbrillen wurden entwickelt, nachdem Grenzwerte für die Exposition am Arbeitsplatz festgelegt und Spezifikationen erstellt worden waren, um die optischen Dichten (oder ODs, ein logarithmisches Maß des Schwächungsfaktors) bereitzustellen, die als Funktion von Wellenlänge und Expositionsdauer für bestimmte erforderlich wären Laser. Obwohl es in Europa spezielle Normen für den Augenlaserschutz gibt, werden in den Vereinigten Staaten weitere Richtlinien vom American National Standards Institute unter den Bezeichnungen ANSI Z136.1 und ANSI Z136.3 bereitgestellt.
Ausbildung
Bei der Untersuchung von Laserunfällen sowohl im Labor als auch in der Industrie taucht ein gemeinsames Element auf: Mangel an angemessener Ausbildung. Das Lasersicherheitstraining sollte sowohl angemessen als auch ausreichend für die Laseroperationen sein, mit denen jeder Mitarbeiter arbeiten wird. Die Schulung sollte spezifisch für den Lasertyp und die Aufgabe sein, der der Arbeiter zugewiesen ist.
Medizinische Überwachung
Die Anforderungen an die medizinische Überwachung von Laserarbeitern sind von Land zu Land gemäß den örtlichen arbeitsmedizinischen Vorschriften unterschiedlich. Zu einer Zeit, als Laser auf das Forschungslabor beschränkt waren und wenig über ihre biologischen Wirkungen bekannt war, war es ganz typisch, dass jeder Laserarbeiter regelmäßig einer gründlichen allgemeinen ophthalmologischen Untersuchung mit Fundus- (Netzhaut-) Fotografie unterzogen wurde, um den Zustand des Auges zu überwachen . Anfang der 1970er Jahre wurde diese Praxis jedoch in Frage gestellt, da die klinischen Befunde fast immer negativ waren und klar wurde, dass solche Untersuchungen nur akute Verletzungen identifizieren konnten, die subjektiv feststellbar waren. Dies veranlasste die WHO-Arbeitsgruppe zu Lasern, die 1975 in Don Leaghreigh, Irland, zusammentrat, von solchen komplizierten Überwachungsprogrammen abzuraten und das Testen der Sehfunktion zu betonen. Seitdem haben die meisten nationalen arbeitsmedizinischen Gruppen die Anforderungen an die ärztliche Untersuchung kontinuierlich reduziert. Heutzutage sind vollständige augenärztliche Untersuchungen allgemein nur im Falle einer Augenlaserverletzung oder des Verdachts einer Überexposition erforderlich, und ein visuelles Screening vor der Platzierung ist im Allgemeinen erforderlich. In einigen Ländern können zusätzliche Prüfungen erforderlich sein.
Lasermessungen
Im Gegensatz zu einigen Gefahren am Arbeitsplatz besteht im Allgemeinen keine Notwendigkeit, Messungen zur Arbeitsplatzüberwachung gefährlicher Laserstrahlung durchzuführen. Aufgrund der stark begrenzten Strahlabmessungen der meisten Laserstrahlen, der Wahrscheinlichkeit, dass sich die Strahlengänge ändern, und der Schwierigkeit und Kosten von Laserradiometern betonen aktuelle Sicherheitsstandards Kontrollmaßnahmen basierend auf der Gefahrenklasse und nicht auf Messungen am Arbeitsplatz (Überwachung). Messungen müssen vom Hersteller durchgeführt werden, um die Einhaltung der Lasersicherheitsnormen und die richtige Gefahrenklassifizierung sicherzustellen. Tatsächlich bezog sich eine der ursprünglichen Begründungen für die Gefahrenklassifizierung durch Laser auf die große Schwierigkeit, geeignete Messungen zur Gefahrenbewertung durchzuführen.
Schlussfolgerungen
Obwohl der Laser am Arbeitsplatz relativ neu ist, wird er schnell allgegenwärtig, ebenso wie Programme zur Lasersicherheit. Der Schlüssel zum sicheren Umgang mit Lasern liegt zunächst darin, die Laserstrahlungsenergie nach Möglichkeit einzuschließen, aber wenn dies nicht möglich ist, angemessene Kontrollmaßnahmen einzurichten und alle mit Lasern arbeitenden Personen zu schulen.