激光安全知識(shí)

激光安全知識(shí) 
一、激光之電磁輻射危險(xiǎn)性 
二、相關(guān)的危險(xiǎn)性及防范措施 
三、激光危險(xiǎn)(Laser hazard)的分級(jí)
四、基本安全觀念與措施

一、激光之電磁輻射危險(xiǎn)性 
以氦氖激光(Helium-neon laser)為例，放電及碰撞使其中的游離電子、氦原子與氖原子獲得能量，因而都成為電磁輻射的來源，其中一部份是可以放大的激光輻射，輸出后成為激光；其余則稱為附加輻射(Collateral radiation)。

1、激光的危險(xiǎn)性 
激光光的高強(qiáng)度，使它與生體組織產(chǎn)生極劇烈的光化學(xué)(Photochemical)、光熱(Photothermal)、光動(dòng)力(Photodynamic)、光剝離(Photodisruption)、光波電磁場等交互作用，而造成嚴(yán)重的傷害。周圍的器材，尤其是可燃、可爆物，也會(huì)因而引起災(zāi)害。高度同調(diào)性造成的干涉，使相長干涉(Constructive   interference) 處的光更強(qiáng)，因此會(huì)導(dǎo)致更高的危害。

a、對(duì)于眼睛的危險(xiǎn)性
人眼的角膜(Cornea)與結(jié)膜(Conjunctiva)沒有受到如一般皮膚角質(zhì)層的保護(hù)，最容易受到光束及其他環(huán)境因素的侵襲。激光光的強(qiáng)度很高，以致眼瞼的反射動(dòng)作產(chǎn)生保護(hù)作用之前，就造成傷害了。
眼睛所受的傷害與波長有關(guān)：可見光(Visible light)與紅外線(Infrared)中的IR-A影響視網(wǎng)膜；紫外線(Ultraviolet)中的UV-B、UV-C及紅外線的IR- B、IR-C影響角膜)；可見光和短波紅外線(Near infrared；IR-A)會(huì)穿過清澈的眼中物質(zhì)，而被視網(wǎng)膜吸收，所以若光束太強(qiáng)，就會(huì)傷害視網(wǎng)膜。激光光的高準(zhǔn)直性(Collimation)，使光線能會(huì)聚于一個(gè)很小的點(diǎn)，在視網(wǎng)膜上約為10至20μm (比頭發(fā)還細(xì))。因此，400nm到1400nm之間的激光，對(duì)視網(wǎng)膜具有特別高的危險(xiǎn)性，這個(gè)波段稱為視網(wǎng)膜危險(xiǎn)區(qū)(Retinal hazard region)。
由于熱流和震波(Shock wave)的影響，環(huán)繞成像區(qū)的組織也可能受損，而對(duì)視覺功能造成更嚴(yán)重的后果。因?yàn)橐暰W(wǎng)膜神經(jīng)組織的修復(fù)能力甚低，這種傷害一般而言都是持久性的。
視網(wǎng)膜危險(xiǎn)區(qū)之外的電磁波，包括紫外線和長波紅外線(Far infrared)，則可能使眼睛的前方部分受傷。有些波段會(huì)傷害水晶體(Lens)，295nm至320nm以及1μm至2μm的輻射尤其嚴(yán)重。波段相當(dāng)廣的紫外線，以及波長大于1400nm的紅外線，可能傷害角膜。只傷及角膜表皮時(shí)，一兩天內(nèi)就能修復(fù)，而使視力完全恢復(fù)。如果角膜的較深層部位發(fā)生顯著傷害，會(huì)造成角膜瘢痕(Corneal scar)，而導(dǎo)致失明。
紅外線的組織穿透深度(Penetration depth)方面，1,440 nm(如某些半導(dǎo)體激光)、1,540 nm(如鉺-玻璃激光)、2,100 nm(如鈥-雅克激光)均大于10,600 nm(二氧化碳激光)，所以前三者造成永久性傷害的危險(xiǎn)性比較高[1]。308 nm的氯化氙(XeCl)激光束，會(huì)使水晶體立即產(chǎn)生白內(nèi)障(Cataract)，所以還具有額外的危險(xiǎn)性。氬離子(Argon)、氪離子(Krypton)、KTP倍頻(Double frequency)、銅蒸汽(Copper vapor)、金蒸汽(Gold vapor)、氦氖(Heliun-Neon)、釹-雅克(Nd:YAG)等激光，對(duì)于視網(wǎng)膜都具有潛在危險(xiǎn)性。鉺-雅克(Er:YAG)、鉺-氟化釔鋰(Er:YLF)、鈥-雅克(Ho:YAG)、氟化氫(HF)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)等激光，則對(duì)角膜有危險(xiǎn)性

b、對(duì)于皮膚的危險(xiǎn)性
皮膚受傷害的原因，可能是光化學(xué)反應(yīng)(主要在紫外線波段)，或熱效應(yīng) (主要在紅外線區(qū))。例如紅斑(曬斑) (Erythema)是表皮受傷所致，有時(shí)真皮也有某種程度的傷害，而這些傷害源于光化學(xué)引起的反應(yīng)。如果了解其危險(xiǎn)性，針對(duì)準(zhǔn)分子(Excimer)的紫外線激光所需的保護(hù)皮膚措施，就容易規(guī)劃及執(zhí)行?？梢姽馀c紅外線激光束的照射，可能造成一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)灼傷。能引起嚴(yán)重?zé)嶙苽妮椪斩?，也可能引燃紡織品，燒毀塑料制?傷害的嚴(yán)重程度，決定于照射時(shí)間的長度，以及激光光的透入深度。一般說來，若照射時(shí)間持續(xù)1秒鐘或更久，疼痛反應(yīng)會(huì)引起閃避動(dòng)作，使受照部位離開光束，因而曝照時(shí)間會(huì)只有1秒鐘或更短。如果照射時(shí)間很短，10.6μm的高功率激光束不會(huì)造成深部組織的灼傷，因?yàn)檫@個(gè)波長的穿透深度很淺(約為20μm)，事實(shí)上不會(huì)透過正常表皮角質(zhì)層的厚度。二氧化碳激光對(duì)于表皮的傷害，是由于從角質(zhì)層至更深處的熱傳導(dǎo)。但是，受到1064nm釹―雅克短脈波照射時(shí)，因?yàn)樗艽┻^數(shù)mm而進(jìn)入組織內(nèi)，所以剛超過灼傷閾值的曝照量，就足以造成深而嚴(yán)重的灼傷。鈥- 激光(2.1μm)、KTP倍頻激光(二倍頻的釹―雅克，532nm)或氬激光(488 及514.5nm)造成的灼傷深度，介于二氧化碳與釹―雅克之間聚焦后的手術(shù)激光光點(diǎn)，或光纖密集的輻照度，是用來將組織汽化或剝離的，所以對(duì)于焦點(diǎn)附近的皮膚具危險(xiǎn)性。反射后的激光束可能引燃衣物，造成皮膚的傷害和悲劇性的后果。使皮膚受傷的實(shí)際閾值，通常是數(shù)個(gè)J/cm2之譜，而這個(gè)程度的曝照量，不至于發(fā)生在手術(shù)激光的焦點(diǎn)外。

2、附加輻射(Collateral radiation)的危險(xiǎn)性 
激光的激發(fā)裝置所產(chǎn)生未經(jīng)放大的電磁輻射，會(huì)由激光裝置的激光光出口(孔徑)(Aperture)或機(jī)殼的縫隙逸出。由于其中可能有游離輻射，如紫外線或X 射線，所以可能引起傷害，尤其是長期曝照之后的危險(xiǎn)性更高。注意機(jī)殼的緊密程度，避免長期靠近可能有附加輻射之處，可以大幅減少發(fā)生這類危險(xiǎn)的機(jī)會(huì)。

二、相關(guān)的危險(xiǎn)性及防范措施 
相關(guān)的危險(xiǎn)是激光或外圍對(duì)象，可能因不當(dāng)操作或故障、損壞而引起的危險(xiǎn)，也包括正常操作時(shí)因?yàn)橄嚓P(guān)物質(zhì)發(fā)生變化，而造成的危險(xiǎn)。本節(jié)列舉這類危險(xiǎn)的細(xì)目，并說明防范之道。
1、高壓電擊 
由于漏電或誤觸電路引起。若有良好接地，電線沒有破損，非維修人員不碰觸激光電路，則可避免這種危險(xiǎn)。
2、電失火 
因?yàn)殡娋€短路、超載，或是電路旁之器材不耐高溫及撞擊電路部分所造成。注意檢查電線，適量分散插座及開關(guān)之負(fù)荷，適當(dāng)安置周圍器材可以預(yù)防這種危險(xiǎn)。
3、電路組件爆裂 
激光中的電容器(Capacitor)、變壓器(Transformer)有可能爆裂，并因而造成擊傷、失火、短路等。除了請(qǐng)維修人員定期檢查這些器件的狀況，并作必要之更新以外，避免過度使用，提防散熱不良，可防止這類危險(xiǎn)。
4、其他對(duì)象爆裂 
激發(fā)激光用的強(qiáng)閃光燈，充有主動(dòng)介質(zhì)(Active medium)的氣體管或離子體管(Plasma tube)可能因?yàn)椴恍⌒呐鲎捕?。這些器件應(yīng)該有堅(jiān)固的護(hù)罩防止受撞擊，并應(yīng)防止掉落。

5、低溫冷劑或壓縮氣體的危險(xiǎn)性 
激光或偵測器等所用的冷凝劑(Cryogenic coolant) 或壓縮氣體，可能因容器(如鋼瓶)不安全或放置不當(dāng)，而造成危險(xiǎn)。防止這種危險(xiǎn)的方法是：使用通過安全檢查的容器，并依安全規(guī)定穩(wěn)固地放置這些物品。
6、有毒氣體或粉塵 
激光使組織因光照汽化及高溫分解產(chǎn)生可能有害的空飄污染物。高溫分解產(chǎn)物與烤肉的煙塵相似，含有毒性物質(zhì)及亞硝基胺等已知可致癌的物質(zhì)。光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物及準(zhǔn)分子激光的鹵素氣體外溢等，都會(huì)造成類似的危險(xiǎn)。
良好的面罩等護(hù)具，功能完善的局部抽氣排煙設(shè)備，是不可或缺的安全設(shè)施。煙氣排出之前，務(wù)必要妥善過濾。
7、其他有害物質(zhì) 
紅外線透鏡或偵測器中的碲(Te)、鎘(Cd)，染料激光用的溶劑與染料，有些對(duì)象( 如變壓器 )中的多氯聯(lián)苯(Polychlorinated biphenyl; PCB)，都是可能釋出的毒性物質(zhì)。使用這些物質(zhì)時(shí)，務(wù)必采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，使這些物質(zhì)意外釋出時(shí)得以迅速清除，以免發(fā)生污染。例如搭配局部抽氣裝置，在染料循環(huán)系統(tǒng)周圍安置一些容器，以接收溢出或噴出之染料及溶劑，都是必要而可行的。

三、激光危險(xiǎn)(Laser hazard)的分級(jí) 
激光的附加輻射之危險(xiǎn)性和相關(guān)其他的危險(xiǎn)性，大多可藉適當(dāng)?shù)难b置及措施加以防范。因此，激光的主要危險(xiǎn)性在于其光束本身。根據(jù)激光光的危險(xiǎn)程度加以分級(jí)(1至4級(jí))，可以分別采取恰當(dāng)?shù)陌踩胧?，簡化決定適當(dāng)安全措施的程序，以免過與不及。關(guān)于激光之生物效應(yīng)的基本認(rèn)識(shí)，是了解激光危險(xiǎn)性的知識(shí)基礎(chǔ)。一旦知道危險(xiǎn)在哪里，安全措施就顯而易明了。

1、第一級(jí) (Class 1) 激光 
激光打印機(jī)和各型光驅(qū)中，激光及其光束完全封閉于護(hù)罩內(nèi)部，這是第1 級(jí)激光系統(tǒng)的一部份。在維修、調(diào)整過程中，這種系統(tǒng)的激光及光束即暴露出來，它的級(jí)別應(yīng)視其波長與功率等因素認(rèn)定之。
輸出功率極低的激光，則是第1級(jí)激光中，與醫(yī)療應(yīng)用較有關(guān)系的部分。它
的光束是可以安全地目視的，不會(huì)對(duì)眼睛、皮膚造成傷害。例如不超過0.39μW 
的可見光激光；釹―雅克激光(Nd:YAG)基頻(fundamental；1064nm)光束功率不超過 0.6mW，二倍頻(second harmonic；double frequency；532nm)不超過0.39μW，四倍頻(fourth harmonic；quadruple frequency；266nm)不超過0.8nW(0.8 x 10-9W)，都屬于第一級(jí)。
2、第二級(jí)(Class 2)激光 
第二級(jí)激光的光束久看有害，連續(xù)波可見光激光束功率高于第一級(jí)的上限，而低于1 mW時(shí)。這一級(jí)激光，也就是低危險(xiǎn)激光。只有在故意反抗自然厭光反應(yīng)(Aversion response)，持續(xù)凝視時(shí)，第二級(jí)激光才會(huì)造成眼部傷害。非可見光激光沒有列入第二 級(jí)者。
3、第三級(jí)(Class 3)激光 
總功率高于1.0mW的瞄準(zhǔn)光束(Aiming beam)或?qū)饧す?Alignment laser)，具有第三級(jí)危險(xiǎn)性。即使只在完成厭光反應(yīng)之前的短暫期間內(nèi)，有第三級(jí)激光光進(jìn)入眼睛，就會(huì)有傷害。第三級(jí)又分為三(a)、三(b)兩個(gè)副級(jí)。

    第三(a)級(jí)激光是光束功率為1至5mW，強(qiáng)度不超過25W/m2的可見光激光。如果它的光束大部分都進(jìn)入眼中，會(huì)引起中度的眼睛傷害。輻射率（注1）較低時(shí)，久看有害；輻射率較高時(shí)，眼睛受短期照射，即造成傷害；用儀器觀看亦立即造成傷害。非可見光激光也沒有屬于三(a)級(jí)激光者。
第三(b)級(jí)激光的光束直接照射眼睛與皮膚，立即造成傷害。它包含一些脈沖激光，以及輸出功率介于5mW 與500mW之間的連續(xù)波激光。
4、第四級(jí)(Class 4)激光 
輸出功率高于0.5W(500mW)的連續(xù)波激光，屬于第四級(jí)。如果使用不當(dāng)，以致眼睛和皮膚受到直接光束或散射光束照射時(shí)，都會(huì)傷害眼睛與皮膚，及導(dǎo)致火災(zāi)。
5、注意事項(xiàng) 
關(guān)于激光的級(jí)別，有三個(gè)特點(diǎn)值得加以強(qiáng)調(diào)：
a、能產(chǎn)生醫(yī)療作用的，大多屬第三(b)級(jí)和第四級(jí)。
b、脈沖激光只有第一, 三(b)和四級(jí)。
c、因?yàn)檠劬Φ木酃庾饔?，須慎估造成傷害之照射劑量?/span>

四、基本安全觀念與措施 
了解激光危險(xiǎn)性所在之后，當(dāng)可就激光的安全使用，建立制造者與操作者、使用者、管理者分工配合的基本觀念及措施。
1、激光產(chǎn)品制造者的安全責(zé)任 
制造者應(yīng)提供周到的防護(hù)步驟及設(shè)施，使其產(chǎn)品具有基本的安全性。購買者驗(yàn)收時(shí)，則須確認(rèn)所購產(chǎn)品具備此等安全性。
a、認(rèn)定激光級(jí)別
制造者須測定光束質(zhì)量，據(jù)以認(rèn)定其產(chǎn)品之危險(xiǎn)等級(jí)。
b、提供適切標(biāo)示及指引
制造者須根據(jù)光束狀況和級(jí)別，提供適切數(shù)據(jù)，包括在適當(dāng)?shù)奈恢? 如孔徑處 ) 附著適當(dāng)標(biāo)志；并提供操作與維修之安全指引及重要規(guī)格數(shù)據(jù)。
c、備妥基本安全設(shè)施(注2) 
激光產(chǎn)品應(yīng)有堅(jiān)固的護(hù)罩(Protective housing)、安全連鎖(Safety interlock)、鑰匙開關(guān)(Key switch)、發(fā)射指示器(Emission indicator)、光束弱化器(Attenuator)、手動(dòng)重開機(jī)裝置(Manual reset)等。
2、「激光安全措施」部分小節(jié) 
過去40年里，人們對(duì)于與激光相關(guān)危險(xiǎn)性的了解，大致與激光問世初期相同，只是在個(gè)別安全措施上逐步提出方便性較高的主張，也逐步提出執(zhí)行上須注意的細(xì)節(jié)。未來的發(fā)展，應(yīng)該是沿著這種軌跡前進(jìn)，例如對(duì)各種護(hù)目鏡材料的安全限度認(rèn)識(shí)更多之后，可以研制各波長分別適用的護(hù)目鏡，盡量減少對(duì)于其他波長光線的阻擋，而讓使用者能藉其他波長的非激光光線進(jìn)行工作【目前的護(hù)目鏡阻擋的光波頻率范圍大多較寬，而非單獨(dú)過濾某波長，透入佩戴者眼中的光，呈現(xiàn)的是被阻擋的波段之互補(bǔ)色】。
此外，人們將會(huì)不斷辨識(shí)出受到激光光照射時(shí)可能產(chǎn)生有害物質(zhì)的情況，而提出相關(guān)的警告及安全措施。強(qiáng)脈波之電磁場可能產(chǎn)生的游離效應(yīng)，以及X射線激光等的可能問世，也會(huì)造成新的安全顧慮。激光安全研究人員勢必要研擬可行而有效的安全措施。從事與激光有關(guān)工作的人員，必須注意這些新發(fā)展。