Безпека лазерного випромінювання охоплює комплекс технічних, організаційних та нормативних заходів, спрямованих на безпечне проєктування, виробництво та експлуатацію лазерних систем з метою запобігання лазерним інцидентам. Особлива увага приділяється захисту органів зору, оскільки навіть відносно низькі рівні лазерного випромінювання можуть призводити до незворотних ушкоджень ока. У зв'язку з цим виробництво, обіг та експлуатація лазерних виробів у більшості країн регулюються державними та міжнародними нормативними документами.У межах нормативного регулювання лазерні вироби класифікуються за потенційним рівнем небезпеки залежно від параметрів випромінювання.

Лазерні системи середньої та високої потужності становлять підвищену небезпеку для людини, оскільки їх випромінювання здатне спричиняти ушкодження органів зору, зокрема сітківки ока, та за певних умов, спричиняти термічні ураження шкіри. З метою зниження таких ризиків у міжнародній та європейській практиці запроваджено систему технічних стандартів, що встановлюють вимоги до безпечного використання лазерних виробів.

Основним міжнародним документом у цій сфері є стандарт Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК; англ. International Electrotechnical Commission) IEC 60825-1, а також його європейські гармонізовані версії EN 60825, які визначають класи лазерних виробів залежно від характеристик лазерного випромінювання, зокрема спектрального діапазону та рівня потужності. В Україні ці норми реалізовано шляхом упровадження національних стандартів ДСТУ EN 60825, гармонізованих із європейською системою технічного регулювання.

Зазначені стандарти визначають комплекс вимог до безпеки лазерних виробів, який охоплює правила їх маркування, вимоги до супроводної технічної документації, а також застосування технічних і організаційних заходів захисту, включно з використанням засобів індивідуального захисту під час експлуатації лазерів.

Окремі аспекти впливу лазерного та іншого штучного оптичного випромінювання на працівників регулюється Директивою Європейського Союзу 2006/25/ЄС яка встановлює граничні рівні опромінення та вимоги до оцінювання професійних ризиків. У поєднанні зі стандартами серії IEC/EN 60825 ці нормативні документи формують методичну основу для визначення допустимих рівнів впливу, зокрема максимально допустимого рівня опромінення (MPE) та гранично допустимих рівнів випромінювання (AEL).

Механізми ушкодження, спричиненого лазерним випромінюванням

Лазерне випромінювання здатне спричиняти біологічні ушкодження тканин організму людини, насамперед органів зору та шкіри, шляхом декількох фізичних і фотохімічних механізмів. Найпоширенішим є термічний механізм, за якого поглинання випромінювання призводить до локального підвищення температури тканин і денатурації білків. За достатньо великої щільності енергії такий нагрів може спричиняти опіки біологічних структур.

Окрім термічних ефектів, для окремих спектральних діапазонів істотну роль відіграють фотохімічні процеси, за яких світлова енергія ініціює хімічні реакції в тканинах. Фотохімічні ушкодження є характерними насамперед для короткохвильового випромінювання у синьому та ультрафіолетовому діапазонах і можуть накопичуватися внаслідок тривалого або повторюваного опромінювання.

За використання імпульсних лазерів з тривалістю імпульсів менше приблизно 1 мкс можливе виникнення надшвидкого локального нагріву, що призводить до вибухового кипіння води у тканинах. Унаслідок цього можуть виникати ударні хвилі, здатні спричиняти ушкодження за межами безпосередньої області взаємодії лазерного випромінювання з тканиною. Для ультракоротких імпульсів також описано нелінійні ефекти самофокусування в прозорих середовищах ока, що додатково підвищує ризик ушкодження. Для надкороткоімпульсних титан-сапфірових лазерів суттєве значення має фотоіонізаційний механізм.

Когерентність лазерного випромінювання та його мала кутова розбіжність у поєднанні з фокусувальною дією кришталика ока призводять до концентрації енергії на надзвичайно малій ділянці сітківки. Навіть короткочасне підвищення температури приблизно на 10 °С може спричинити руйнування фоторецепторних клітин. За достатньо високої інтенсивності лазерного випромінювання незворотні ушкодження можуть виникати протягом частки секунди, що відбувається швидше, ніж спрацьовує рефлекс моргання.

Лазерне випромінювання у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні (приблизно 400–1400 нм) здатне проникати всередину очного яблука та викликати нагрівання сітківки. Натомість випромінювання з довжинами хвиль менше ніж 400 нм або більше ніж 1400 нм у більшості випадків поглинається рогівкою і кришталиком, що може призводити до розвитку катаракти або виникнення термічних ушкоджень.

Оптична система ока фокусує видиме та ближнє інфрачервоне випромінювання на сітківку. Унаслідок чого інтенсивність енергії в зоні фокусування може у десятки й сотні тисяч разів перевищувати рівень випромінювання на поверхні ока. Значна частина енергії поглинається меланіновими пігментами пігментного епітелію, розташованого позаду фоторецепторів, що може призводити до термічних ушкоджень сітківки.

Ультрафіолетове випромінювання з довжинами хвиль менше ніж за 400 нм переважно поглинається кришталиком, а за довжин хвиль приблизно до 300 нм, також і рогівкою, де воно може спричиняти ушкодження навіть за відносно низьких рівнів інтенсивності внаслідок фотохімічних процесів. Інфрачервоне випромінювання, своєю чергою, викликає переважно термічні ушкодження: у ближньому інфрачервоному діапазоні ушкодження сітківки, а за більших довжин хвиль ушкодження передніх структур ока.

У таблиці нижче узагальнено типові патологічні стани, спричинені лазерним випромінюванням різних спектральних діапазонів, без урахування ушкоджень, характерних для імпульсних лазерів. +Спектральний діапазонТипові патологічні ефекти180–315 нм (УФ-B, УФ-C)Фотокератит (запалення рогівки, подібне до сонячного опіку)315–400 нм (УФ-А)Фотохімічна катаракта (помутніння кришталика)400–780 нм (видиме світло)Фотохімічні ушкодження сітківки, термічні опіки сітківки780–1400 нм (ближнє інфрачервоне)Опіки сітківи, катаракта1,4–3,0 мкм (інфрачервоне)Помутніння водянистої вологи ока (білок у водянистій волозі), катаракта, опіки рогівки3,0 мкм – 1 ммОпіки рогівки

Особливу небезпеку становлять інфрачервоні (ІЧ) лазери, оскільки природні захисні механізми зору, зокрема реакція організму на яскраве світло, також відома як рефлекс моргання, спрацьовують лише у відповідь на видиме випромінювання. У разі впливу потужних Nd:YAG-лазерів, що випромінюють на довжині хвилі 1064 нм, людина може не відчути болю та не усвідомлювати негайного погіршення зору. В окремих випадках єдиною ознакою ушкодження сітківки стає характерний звук, що свідчить про локальне перегрівання тканин до температур понад 100 °С, унаслідок чого відбувається вибухове кипіння з утворенням постійної сліпої плями. Максимально допустимий рівень опромінення (MPE)

Максимально допустимий рівень опромінення (Maximum Permissible Exposure, MPE) – щільність потужності або енергії оптичного випромінювання, що вважається безпечною для людини та має пренебрежно малу ймовірність спричинення ушкоджень.Значення MPE зазвичай становлять приблизно одну десяту від дози, за якої імовірність ушкодження сягає 50 % за найгірших умов впливу. Вимірювання MPE здійснюються для рогівки ока або поверхні шкіри з урахуванням довжини хвилі випромінювання та тривалості експозиції.

Під час визначення MPE для органів зору враховуються різні механізми взаємодії світла з оком. Зокрема, глибоке ультрафіолетове випромінювання здатне спричиняти накопичувальні ушкодження навіть за дуже низьких рівнів потужності. Інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль понад приблизно 1400 нм поглинається прозорими середовищами ока до досягнення сітківки, що зумовлює вищі допустимі рівні MPE порівняно з видимим випромінюванням.

Окрім довжини хвилі та часу впливу, під час розрахунку MPE враховується просторовий розподіл випромінювання. Колімовані лазерні промені у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах становлять підвищену небезпеку навіть за відносно невеликих потужностей, оскільки оптична система ока фокусує їх у дуже малу ділянку сітківки. На відміну від цього, джерела зі зниженою просторовою когерентністю, наприклад потужні світлодіоди, розподіляють світло на більшій площі сітківки, для чого допускаються вищі значення MPE.

Граничні значення та методи визначення максимально допустимого рівня опромінення встановлено міжнародним стандартом Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК; англ. International Electrotechnical Commission, IEC) IEC 60825‑1 та гармонізованими з ним європейськими стандартами серії EN 60825.

Нормативне регулювання та стандарти безпеки (ЄС та Україна)

Безпека лазерного випромінювання в Європейському Союзі регулюється на основі міжнародних і гармонізованих стандартів, зокрема серії стандартів, зокрема серії стандартів IEC 60825, розроблених Міжнародною електротехнічною комісією(МЕК). Їхні європейські гармонізовані версії EN 60825 встановлюють вимоги до класифікації лазерних виробів, маркування, допустимих рівнів випромінювання та технічних заходів захисту.

Захист працівників від ризиків, пов’язаних із впливом штучного оптичного випромінювання, додатково регламентується Директивою Європейського Союзу 2006/25/EC, яка встановлює граничні рівні опромінення та вимоги до оцінювання професійних ризиків. В Україні положення цих стандартів імплементовано через національні стандарти ДСТУ EN 60825, гармонізовані з європейською системою технічного регулювання.

Класифікація лазерів (IEC) Відповідно до стандарту IEC60825‑1 лазерні вироби класифікуються за потенційним рівнем небезпеки для органів зору та шкіри. Класифікація ґрунтується на гранично допустимих рівнях доступного випромінювання та враховує довжину хвилі, тривалість і характер випромінювання.

Лазери нижчих класів (1, 1M, 2, 2M) зазвичай безпечні за нормальних умов використання, тоді як лазери класів 3B і 4 становлять серйозну небезпеку та потребують спеціальних технічних і організаційних заходів безпеки, включно з використанням захисних окулярів і систем блокування.

Числові граничні значення потужності або енергії для кожного класу лазерів визначені стандартом IEC 60825‑1 та залежать від умов вимірювання і характеристик випромінювання.

Примітки

Зовнішні посилання

EU Directive 2006/25/EC — Annex II (Laser optical radiation) https://osha.europa.eu/en/legislation/directives/directive-2006-25-ec-of-the-european-parliament-and-of-the-council-of-5-april-2006 https://www.legislation.gov.uk/eudr/2006/25/annex/II/data.pdf https://webstore.iec.ch/en/publication/3587 Schulmeister, K. (2017). White Paper on IEC 60825‑1 Seibersdorf Laboratories (Austria)https://laser-led-lamp-safety.seibersdorf-laboratories.at/fileadmin/uploads/intranet/dateien/le/laser/whitepaper_iec-60825-1_v1d.pdf