Un laser è un dispositivo che produce energia radiante elettromagnetica coerente all'interno dello spettro ottico dall'estremo ultravioletto al lontano infrarosso (submillimetrico). Il termine laser è in realtà un acronimo di Amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione. Sebbene il processo laser sia stato teoricamente previsto da Albert Einstein nel 1916, il primo laser di successo non è stato dimostrato fino al 1960. Negli ultimi anni i laser si sono fatti strada dai laboratori di ricerca all'ambiente industriale, medico e degli uffici, nonché ai cantieri e persino famiglie. In molte applicazioni, come lettori di videodischi e sistemi di comunicazione in fibra ottica, l'emissione di energia radiante del laser è racchiusa, l'utente non corre alcun rischio per la salute e la presenza di un laser incorporato nel prodotto potrebbe non essere ovvia per l'utente. Tuttavia, in alcune applicazioni mediche, industriali o di ricerca, l'energia radiante emessa dal laser è accessibile e può rappresentare un potenziale pericolo per gli occhi e la pelle.
Poiché il processo laser (a volte indicato come "laser") può produrre un raggio di radiazione ottica altamente collimato (ovvero, energia radiante ultravioletta, visibile o infrarossa), un laser può rappresentare un pericolo a una distanza considerevole, a differenza della maggior parte dei pericoli incontrati nel posto di lavoro. Forse è questa caratteristica più di ogni altra cosa che ha suscitato particolari preoccupazioni espresse dai lavoratori e dagli esperti di salute e sicurezza sul lavoro. Tuttavia, i laser possono essere utilizzati in sicurezza quando vengono applicati controlli di rischio appropriati. Gli standard per l'uso sicuro dei laser esistono in tutto il mondo e la maggior parte sono "armonizzati" tra loro (ANSI 1993; IEC 1993). Tutti gli standard fanno uso di un sistema di classificazione dei pericoli, che raggruppa i prodotti laser in una delle quattro grandi classi di pericolo in base alla potenza o all'energia di uscita del laser e alla sua capacità di causare danni. Vengono quindi applicate misure di sicurezza commisurate alla classificazione del pericolo (Cleuet e Mayer 1980; Duchene, Lakey e Repacholi 1991).
I laser funzionano a lunghezze d'onda discrete e, sebbene la maggior parte dei laser sia monocromatica (emettendo una lunghezza d'onda o un singolo colore), non è raro che un laser emetta diverse lunghezze d'onda discrete. Ad esempio, il laser ad argon emette diverse linee all'interno dello spettro del visibile e dell'ultravioletto vicino, ma è generalmente progettato per emettere solo una linea verde (lunghezza d'onda) a 514.5 nm e/o una linea blu a 488 nm. Quando si considerano i potenziali rischi per la salute, è sempre fondamentale stabilire la/e lunghezza/e d'onda di uscita.
Tutti i laser hanno tre elementi costitutivi fondamentali:
- un mezzo attivo (solido, liquido o gassoso) che definisce le possibili lunghezze d'onda di emissione
- una fonte di energia (p. es., corrente elettrica, lampada a pompa o reazione chimica)
- una cavità risonante con accoppiatore di uscita (generalmente due specchi).
La maggior parte dei sistemi laser pratici al di fuori del laboratorio di ricerca hanno anche un sistema di erogazione del raggio, come una fibra ottica o un braccio articolato con specchi per dirigere il raggio verso una postazione di lavoro e lenti di focalizzazione per concentrare il raggio su un materiale da saldare, ecc. In un laser, atomi o molecole identici vengono portati in uno stato eccitato dall'energia erogata dalla lampada della pompa. Quando gli atomi o le molecole sono in uno stato eccitato, un fotone (“particella” di energia luminosa) può stimolare un atomo o una molecola eccitati ad emettere un secondo fotone della stessa energia (lunghezza d'onda) che viaggia in fase (coerente) e nella stessa direzione del fotone stimolante. Così ha avuto luogo l'amplificazione della luce di un fattore due. Questo stesso processo ripetuto in cascata fa sviluppare un fascio di luce che si riflette avanti e indietro tra gli specchi della cavità risonante. Poiché uno degli specchi è parzialmente trasparente, parte dell'energia luminosa lascia la cavità risonante formando il raggio laser emesso. Sebbene in pratica i due specchi paralleli siano spesso curvati per produrre una condizione di risonanza più stabile, il principio di base vale per tutti i laser.
Sebbene diverse migliaia di diverse linee laser (cioè lunghezze d'onda laser discrete caratteristiche di diversi mezzi attivi) siano state dimostrate nel laboratorio di fisica, solo una ventina circa sono state sviluppate commercialmente al punto da essere abitualmente applicate nella tecnologia quotidiana. Sono state sviluppate e pubblicate linee guida e standard sulla sicurezza del laser che coprono sostanzialmente tutte le lunghezze d'onda dello spettro ottico al fine di consentire le linee laser attualmente conosciute e i laser futuri.
Classificazione del rischio laser
Gli attuali standard di sicurezza laser in tutto il mondo seguono la pratica di classificare tutti i prodotti laser in classi di pericolo. In generale, lo schema segue un raggruppamento di quattro ampie classi di pericolo, da 1 a 4. I laser di classe 1 non possono emettere radiazioni laser potenzialmente pericolose e non rappresentano un pericolo per la salute. Le classi da 2 a 4 rappresentano un rischio crescente per gli occhi e la pelle. Il sistema di classificazione è utile poiché le misure di sicurezza sono prescritte per ogni classe di laser. Per le classi più alte sono richieste misure di sicurezza più stringenti.
La classe 1 è considerata un gruppo "sicuro per gli occhi", senza rischi. La maggior parte dei laser completamente chiusi (ad esempio, registratori di compact disc laser) sono di Classe 1. Non sono richieste misure di sicurezza per un laser di Classe 1.
La classe 2 si riferisce ai laser visibili che emettono una potenza molto bassa che non sarebbe pericolosa anche se l'intera potenza del raggio entrasse nell'occhio umano e fosse focalizzata sulla retina. La naturale risposta di avversione dell'occhio alla visione di fonti di luce molto luminose protegge l'occhio dalle lesioni alla retina se l'energia che entra nell'occhio non è sufficiente a danneggiare la retina all'interno della risposta di avversione. La risposta di avversione è composta dal riflesso dell'ammiccamento (circa 0.16-0.18 secondi) e da una rotazione dell'occhio e movimento della testa quando esposti a tale luce intensa. Gli attuali standard di sicurezza definiscono in modo conservativo la risposta di avversione come della durata di 0.25 secondi. Pertanto, i laser di Classe 2 hanno una potenza di uscita di 1 milliwatt (mW) o inferiore che corrisponde al limite di esposizione consentito per 0.25 secondi. Esempi di laser di Classe 2 sono i puntatori laser e alcuni laser di allineamento.
Alcuni standard di sicurezza incorporano anche una sottocategoria della Classe 2, denominata “Classe 2A”. I laser di classe 2A non sono pericolosi se fissati fino a 1,000 s (16.7 min). La maggior parte degli scanner laser utilizzati nei punti vendita (cassa del supermercato) e negli scanner di inventario sono di Classe 2A.
I laser di classe 3 rappresentano un pericolo per gli occhi, poiché la risposta di avversione non è sufficientemente rapida per limitare l'esposizione retinica a un livello momentaneamente sicuro e potrebbero verificarsi anche danni ad altre strutture dell'occhio (p. es., cornea e cristallino). Normalmente non esistono rischi per la pelle per l'esposizione accidentale. Esempi di laser di classe 3 sono molti laser di ricerca e telemetri laser militari.
Una sottocategoria speciale della Classe 3 è denominata "Classe 3A" (con i restanti laser di Classe 3 denominati "Classe 3B"). I laser di classe 3A sono quelli con una potenza di uscita compresa tra una e cinque volte i limiti di emissione accessibili (AEL) per la classe 1 o classe 2, ma con un'irraggiamento di uscita non superiore al limite di esposizione professionale pertinente per la classe inferiore. Esempi sono molti strumenti di allineamento laser e rilevamento.
I laser di classe 4 possono rappresentare un potenziale rischio di incendio, un rischio cutaneo significativo o un rischio di riflessione diffusa. Praticamente tutti i laser chirurgici e i laser per la lavorazione dei materiali utilizzati per la saldatura e il taglio sono di Classe 4 se non racchiusi. Tutti i laser con una potenza media superiore a 0.5 W sono di Classe 4. Se una Classe 3 o Classe 4 di potenza superiore è completamente racchiusa in modo che l'energia radiante pericolosa non sia accessibile, l'intero sistema laser potrebbe essere di Classe 1. Il laser più pericoloso all'interno del recinto è denominato an laser incorporato.
Limiti di esposizione professionale
La Commissione internazionale per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti (ICNIRP 1995) ha pubblicato linee guida per i limiti di esposizione umana alle radiazioni laser che vengono aggiornate periodicamente. I limiti di esposizione rappresentativi (EL) sono forniti nella tabella 1 per diversi laser tipici. Praticamente tutti i raggi laser superano i limiti di esposizione consentiti. Pertanto, nella pratica reale, i limiti di esposizione non vengono abitualmente utilizzati per determinare le misure di sicurezza. Invece, lo schema di classificazione laser, che si basa sui EL applicati in condizioni realistiche, è realmente applicato a questo scopo.
Tabella 1. Limiti di esposizione per laser tipici
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Tipo di laser |
Lunghezze d'onda principali |
Limite di esposizione |
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Fluoruro di argon |
193 nm |
3.0 mJ/cm2 oltre le 8 h |
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Cloruro di xeno |
308 nm |
40 mJ/cm2 oltre le 8 h |
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Ione di argon |
488, 514.5nm |
3.2 mW/cm2 per 0.1 secondi |
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Vapore di rame |
510, 578nm |
2.5 mW/cm2 per 0.25 secondi |
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Elio-neon |
632.8 nm |
1.8 mW/cm2 per 10 secondi |
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Vapore d'oro |
628 nm |
1.0 mW/cm2 per 10 secondi |
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Ione krypton |
568, 647nm |
1.0 mW/cm2 per 10 secondi |
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Neodimio-YAG |
1,064 nm |
5.0 μJ/cm2 per 1 ns a 50 μs |
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Diossido di carbonio |
10 – 6 μm |
100 mW/cm2 per 10 secondi |
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Monossido di carbonio |
≈5 micron |
a 8 h, area limitata |
Tutti gli standard/linee guida hanno MPE ad altre lunghezze d'onda e durate di esposizione.
Nota: per convertire gli MPE in mW/cm2 a mJ/cm2, moltiplicare per il tempo di esposizione t in secondi. Ad esempio, He-Ne o Argon MPE a 0.1 s è 0.32 mJ/cm2.
Fonte: Standard ANSI Z-136.1(1993); ACGIH TLV (1995) e Duchene, Lakey e Repacholi (1991).
Standard di sicurezza laser
Molte nazioni hanno pubblicato standard di sicurezza laser e la maggior parte sono armonizzati con lo standard internazionale della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC). Lo standard IEC 825-1 (1993) si applica ai produttori; tuttavia, fornisce anche alcune indicazioni di sicurezza limitate per gli utenti. La classificazione di rischio laser sopra descritta deve essere riportata su tutti i prodotti laser commerciali. Su tutti i prodotti delle Classi da 2 a 4 dovrebbe comparire un'etichetta di avvertenza adeguata alla classe.
Misure Di Sicurezza
Il sistema di classificazione della sicurezza laser facilita enormemente la determinazione delle misure di sicurezza appropriate. Gli standard di sicurezza laser e i codici di pratica richiedono abitualmente l'uso di misure di controllo sempre più restrittive per ogni classificazione superiore.
In pratica, è sempre più desiderabile racchiudere completamente il laser e il percorso del raggio in modo che nessuna radiazione laser potenzialmente pericolosa sia accessibile. In altre parole, se sul posto di lavoro vengono impiegati solo prodotti laser di Classe 1, l'uso sicuro è garantito. Tuttavia, in molte situazioni, questo semplicemente non è pratico ed è necessaria la formazione dei lavoratori sull'uso sicuro e sulle misure di controllo dei rischi.
Oltre all'ovvia regola di non puntare un laser negli occhi di una persona, non sono necessarie misure di controllo per un prodotto laser di Classe 2. Per i laser di classi superiori sono chiaramente necessarie misure di sicurezza.
Se la chiusura totale di un laser di classe 3 o 4 non è fattibile, l'uso di coperture del raggio (ad es. tubi), deflettori e coperture ottiche può virtualmente eliminare il rischio di una pericolosa esposizione oculare nella maggior parte dei casi.
Quando le custodie non sono fattibili per i laser di classe 3 e 4, è necessario stabilire un'area controllata dal laser con ingresso controllato e l'uso di protezioni per gli occhi del laser è generalmente obbligatorio all'interno della zona di rischio nominale (NHZ) del raggio laser. Sebbene nella maggior parte dei laboratori di ricerca in cui vengono utilizzati raggi laser collimati, l'NHZ comprenda l'intera area controllata del laboratorio, per le applicazioni con raggio focalizzato, l'NHZ può essere sorprendentemente limitato e non comprendere l'intera stanza.
Per garantire contro l'uso improprio e le possibili azioni pericolose da parte di utenti laser non autorizzati, è necessario utilizzare il controllo chiave presente su tutti i prodotti laser fabbricati in commercio.
La chiave deve essere protetta quando il laser non è in uso, se le persone possono accedere al laser.
Sono necessarie precauzioni speciali durante l'allineamento laser e la configurazione iniziale, poiché il rischio di gravi lesioni oculari è molto elevato. I lavoratori del laser devono essere addestrati in pratiche sicure prima della configurazione e dell'allineamento del laser.
Gli occhiali di protezione laser sono stati sviluppati dopo che erano stati stabiliti i limiti di esposizione professionale e sono state redatte specifiche per fornire le densità ottiche (o OD, una misura logaritmica del fattore di attenuazione) che sarebbero state necessarie in funzione della lunghezza d'onda e della durata dell'esposizione per specifici laser. Sebbene in Europa esistano standard specifici per la protezione degli occhi dal laser, ulteriori linee guida sono fornite negli Stati Uniti dall'American National Standards Institute con le denominazioni ANSI Z136.1 e ANSI Z136.3.
Training
Quando si indaga sugli incidenti laser sia in laboratorio che in situazioni industriali, emerge un elemento comune: la mancanza di una formazione adeguata. La formazione sulla sicurezza laser dovrebbe essere sia appropriata che sufficiente per le operazioni laser attorno alle quali ciascun dipendente lavorerà. La formazione dovrebbe essere specifica per il tipo di laser e il compito a cui è assegnato il lavoratore.
Sorveglianza medica
I requisiti per la sorveglianza medica dei lavoratori laser variano da paese a paese in conformità con le normative locali di medicina del lavoro. Un tempo, quando i laser erano confinati nei laboratori di ricerca e si sapeva poco dei loro effetti biologici, era abbastanza tipico che ogni operatore laser fosse periodicamente sottoposto a un esame oftalmologico generale approfondito con fotografia del fondo (retinale) per monitorare lo stato dell'occhio . Tuttavia, all'inizio degli anni '1970, questa pratica fu messa in discussione, poiché i risultati clinici erano quasi sempre negativi, e divenne chiaro che tali esami potevano identificare solo lesioni acute rilevabili soggettivamente. Ciò ha portato il gruppo di lavoro dell'OMS sui laser, riunitosi a Don Leaghreigh, in Irlanda, nel 1975, a raccomandare contro tali programmi di sorveglianza coinvolti e ad enfatizzare i test della funzione visiva. Da quel momento, la maggior parte dei gruppi nazionali di medicina del lavoro ha continuamente ridotto i requisiti per gli esami medici. Oggi, gli esami oftalmologici completi sono universalmente richiesti solo in caso di lesione oculare da laser o sospetta sovraesposizione, ed è generalmente richiesto uno screening visivo prima del posizionamento. Ulteriori esami possono essere richiesti in alcuni paesi.
Misurazioni laser
A differenza di alcuni rischi sul posto di lavoro, generalmente non è necessario eseguire misurazioni per il monitoraggio sul posto di lavoro dei livelli pericolosi di radiazioni laser. A causa delle dimensioni estremamente ristrette del raggio della maggior parte dei raggi laser, della probabilità di cambiamento dei percorsi del raggio e della difficoltà e del costo dei radiometri laser, gli attuali standard di sicurezza enfatizzano le misure di controllo basate sulla classe di pericolo e non sulla misurazione sul posto di lavoro (monitoraggio). Le misurazioni devono essere eseguite dal produttore per garantire la conformità con gli standard di sicurezza laser e la corretta classificazione dei rischi. In effetti, una delle giustificazioni originali per la classificazione del rischio laser riguardava la grande difficoltà di eseguire misurazioni adeguate per la valutazione del rischio.
Conclusioni
Sebbene il laser sia relativamente nuovo sul posto di lavoro, sta rapidamente diventando onnipresente, così come i programmi relativi alla sicurezza del laser. Le chiavi per l'uso sicuro dei laser sono innanzitutto racchiudere l'energia radiante del laser se possibile, ma se non è possibile, impostare misure di controllo adeguate e addestrare tutto il personale che lavora con i laser.