Электромагнитное, лазерное излучение, ультразвук. Что такое лазерное излучение? Лазерное излучение: его источники и защита от него

Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу. Пользователи этих устройств должны в полной мере понимать и применять необходимые меры безопасности при обращении с ними.

Что такое лазер?

Слово «лазер» (англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) является аббревиатурой, которая расшифровывается как «усиление света индуцированным излучением». Частота излучения, генерируемого лазером, находится в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Энергия усиливается до состояния чрезвычайно высокой интенсивности с помощью процесса, который носит название «излучение лазерное индуцированное».

Термин «радиация» часто понимается неправильно, потому что его также используют при описании В данном контексте оно означает передачу энергии. Энергия переносится из одного места в другое посредством проводимости, конвекции и излучения.

Существует множество различных типов лазеров, работающих в разных средах. В качестве рабочей среды используются газы (например, аргон или смесь гелия с неоном), твердые кристаллы (например, рубин) или жидкие красители. Когда энергия подается в рабочую среду, она переходит в возбуждённое состояние и высвобождает энергию в виде частиц света (фотонов).

Пара зеркал на обоих концах герметизированной трубки либо отражает, либо передает свет в виде концентрированного потока, называемого лазерным лучом. Каждая рабочая среда производит луч уникальной длины волны и цвета.

Цвет света лазера, как правило, выражается длиной волны. Он является неионизирующим и включает ультрафиолетовую (100-400 нм), видимую (400-700 нм) и инфракрасную (700 нм - 1 мм) часть спектра.

Электромагнитный спектр

Каждая электромагнитная волна обладает уникальной частотой и длиной, связанной с этим параметром. Подобно тому, как красный свет имеет свою собственную частоту и длину волны, так и все остальные цвета - оранжевый, желтый, зеленый и синий - обладают уникальными частотами и длинами волн. Люди способны воспринимать эти электромагнитные волны, но не в состоянии видеть остальную часть спектра.

Наибольшую частоту имеют и ультрафиолет. Инфракрасное, микроволновая радиация и радиоволны занимают нижние частоты спектра. Видимый свет находится в очень узком диапазоне между ними.

воздействие на человека

Лазер производит интенсивный направленный пучок света. Если его направить, отразить или сфокусировать на объект, луч частично поглотится, повышая температуру поверхности и внутренней части объекта, что может вызвать изменение или деформацию материала. Эти качества, которые нашли применение в лазерной хирургии и обработке материалов, могут быть опасны для тканей человека.

Кроме радиации, оказывающей тепловое воздействие на ткани, опасно лазерное излучение, производящее фотохимический эффект. Его условием является достаточно короткая т. е. ультрафиолетовая или синяя части спектра. Современные устройства производят лазерное излучение, воздействие на человека которого сведено к минимуму. Энергии маломощных лазеров недостаточно для нанесения вреда, и опасности они не представляют.

Ткани человека чувствительны к воздействию энергии, и при определенных обстоятельствах электромагнитное излучение, лазерное в том числе, может привести к повреждению глаз и кожи. Были проведены исследования пороговых уровней травмирующей радиации.

Опасность для глаз

Человеческий глаз более подвержен травмам, чем кожа. Роговица (прозрачная внешняя передняя поверхность глаза), в отличие от дермы, не имеет внешнего слоя омертвевших клеток, защищающих от воздействия окружающей среды. Лазерное и поглощается роговицей глаза, что может нанести ей вред. Травма сопровождается отёком эпителия и эрозией, а при тяжёлых повреждениях - помутнением передней камеры.

Хрусталик глаза также может быть подвержен травмам, когда на него воздействует различное лазерное излучение - инфракрасное и ультрафиолетовое.

Наибольшую опасность, однако, представляет воздействие лазера на сетчатку глаза в видимой части оптического спектра - от 400 нм (фиолетовый) до 1400 нм (ближний инфракрасный). В пределах этой области спектра коллимированные лучи фокусируются на очень маленьких участках сетчатки. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия происходит, когда глаз смотрит вдаль и в него попадает прямой или отражённый луч. В этом случае его концентрация на сетчатке достигает 100 000 крат.

Таким образом, видимый пучок мощностью 10 мВт/см 2 воздействует на сетчатку глаза с мощностью 1000 Вт/см 2 . Этого более чем достаточно, чтобы вызвать повреждение. Если глаз не смотрит вдаль, или если луч отражается от диффузной, не зеркальной поверхности, к травмам ведёт значительно более мощное излучение. Лазерное воздействие на кожу лишено эффекта фокусировки, поэтому она гораздо меньше подвержена травмам при этих длинах волн.

Рентгеновские лучи

Некоторые высоковольтные системы с напряжением более 15 кВ могут генерировать рентгеновские лучи значительной мощности: лазерное излучение, источники которого - мощные с электронной накачкой, а также плазменные системы и источники ионов. Эти устройства должны быть проверены на в том числе для обеспечения надлежащего экранирования.

Классификация

В зависимости от мощности или энергии пучка и длины волны излучения, лазеры делятся на несколько классов. Классификация основана на потенциальной способности устройства вызывать немедленную травму глаз, кожи, воспламенение при прямом воздействии луча или при отражении от диффузных отражающих поверхностей. Все коммерческие лазеры подлежат идентификации с помощью нанесённых на них меток. Если устройство было изготовлено дома или иным образом не помечено, следует получить консультацию по соответствующей его классификации и маркировке. Лазеры различают по мощности, длине волны и длительности экспозиции.

Безопасные устройства

Устройства первого класса генерируют низкоинтенсивное лазерное излучение. Оно не может достичь опасного уровня, поэтому источники освобождаются от большинства мер контроля или других форм наблюдения. Пример: лазерные принтеры и проигрыватели компакт-дисков.

Условно безопасные устройства

Лазеры второго класса излучают в видимой части спектра. Это лазерное излучение, источники которого вызывают у человека нормальную реакцию неприятия слишком яркого света (мигательный рефлекс). При воздействии луча человеческий глаз моргает через 0,25 с, что обеспечивает достаточную защиту. Однако излучение лазерное в видимом диапазоне способно повредить глаз при постоянном воздействии. Примеры: лазерные указатели, геодезические лазеры.

Лазеры 2а-класса являются устройствами специального назначения с выходной мощностью менее 1 мВт. Эти приборы вызывают повреждение только при непосредственном воздействии в течение более 1000 с за 8-часовой рабочий день. Пример: устройства считывания штрих-кода.

Опасные лазеры

К классу 3а относят устройства, которые не травмируют при кратковременном воздействии на незащищённый глаз. Могут представлять опасность при использовании фокусирующей оптики, например, телескопов, микроскопов или биноклей. Примеры: гелий-неоновый лазер мощностью 1-5 мВт, некоторые лазерные указатели и строительные уровни.

Луч лазера класса 3b может привести к травме при непосредственном воздействии или при его зеркальном отражении. Пример: гелий-неоновый лазер мощностью 5-500 мВт, многие исследовательские и терапевтические лазеры.

Класс 4 включает устройства с уровнями мощности более 500 мВт. Они опасны для глаз, кожи, а также пожароопасны. Воздействие пучка, его зеркального или диффузного отражений может стать причиной глазных и кожных травм. Должны быть предприняты все меры безопасности. Пример: Nd:YAG-лазеры, дисплеи, хирургия, металлорезание.

Лазерное излучение: защита

Каждая лаборатория должна обеспечить соответствующую защиту лиц, работающих с лазерами. Окна помещений, через которые может проходить излучение устройств 2, 3 или 4 класса с нанесением вреда на неконтролируемых участках, должны быть покрыты или иным образом защищены во время работы такого прибора. Для обеспечения максимальной защиты глаз рекомендуется следующее.

Пучок необходимо заключить в неотражающую негорючую защитную оболочку, чтобы свести к минимуму риск случайного воздействия или пожара. Для выравнивания луча использовать люминесцентные экраны или вторичные визиры; избегать прямого воздействия на глаза.
Для процедуры выравнивания луча использовать наименьшую мощность. По возможности для предварительных процедур выравнивания использовать устройства низкого класса. Избегать присутствия лишних отражающих объектов в зоне работы лазера.
Ограничить прохождение луча в опасной зоне в нерабочее время, используя заслонки и другие преграды. Не использовать стены комнаты для выравнивания луча лазеров класса 3b и 4.
Использовать неотражающие инструменты. Некоторый инвентарь, не отражающий видимый свет, становится зеркальным в невидимой области спектра.
Не носить отражающие ювелирные изделия. Металлические украшения также повышают опасность поражения электрическим током.

Защитные очки

При работе с лазерами 4 класса с открытой опасной зоной или при риске отражения следует пользоваться защитными очками. Тип их зависит от вида излучения. Очки необходимо выбирать для защиты от отражений, особенно диффузных, а также для обеспечения защиты до уровня, когда естественный защитный рефлекс может предотвратить травмы глаз. Такие оптические приборы сохранят некоторую видимость луча, предотвратят ожоги кожи, снизят возможность других несчастных случаев.

Факторы, которые следует учитывать при выборе защитных очков:

длина волны или область спектра излучения;
оптическая плотность при определенной длине волны;
максимальная освещённость (Вт/см 2) или мощность пучка (Вт);
тип лазерной системы;
режим мощности - импульсное лазерное излучение или непрерывный режим;
возможности отражения - зеркального и диффузного;
поле зрения;
наличие корректирующих линз или достаточного размера, позволяющего ношение очков для коррекции зрения;
комфорт;
наличие вентиляционных отверстий, предотвращающих запотевание;
влияние на цветовое зрение;
ударопрочность;
возможность выполнения необходимых задач.

Так как защитные очки подвержены повреждениям и износу, программа безопасности лаборатории должна включать периодические проверки этих защитных элементов.

Слова "лазер" - аббревиатура, образованная из начальных букв английской фразы Light amplification by stimulatcd emission of radiation - усиление света за счет создания стимулированного излучения.

Итак, лазер или оптический квантовый генератор - это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании принудительного (стимулированного) излучения.

Лазер как техническое устройство состоит из трех основных элементов:

активной среды;

системы накачки;

соответствующего резонатора.

Основными техническими характеристиками лазеров являются: длина волны (X). мкм;

ширина линии излучения (SX) и

интенсивность излучения лазеров определяется по величине энергии (WJ или мощности (рj, Дж или Вт

длительность импульса (х), с;

частота импульсов (F), Гц.

Как классифицируются лазеры?

В соответствии с "Санитарными нормами и правилами устройства классификации лазеров" положена степень их опасного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры делятся на 4 класса:

класс I (безопасные) - излучение безопасно для глаз

класс II (малоопасные) - опасно для глаз прямое, зеркальное отражение излучения;

класс ПИ (середньонебезпечни) - опасное для глаз прямое, зеркальное, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и для кожи прямое и зеркально отраженное излучение;

класс IV (высокоопасные) - опасное для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Классификация определяет специфику влияния излучения на орган зрения и кожу. Ведущим критерием для оценки степени опасности лазерного излучения принята величина мощности (энергии), длина волны, длительность импульса и экспозиции облучения.

Существует классификация лазеров по физико-техническим параметрам, при этом учитывается агрегатное состояние активной рабочего вещества (твердое, жидкое, газообразное), характер генерации (импульсный, непрерывный) способ накачки активного вещества (оптический, электрический, химический и т. Д.).

По характеру генерации излучения, лазеры подразделяются на импульсные (продолжительностью излучения 0,25 с) и непрерывного действия (продолжительность излучения более 0,25 с).

Какова действие лазерного излучения на организм человека?

Действие лазеров на организм зависит от параметров излучения (мощности) и энергии излучения на единицу поверхности, длины волны, длительности импульса, частоты импульсов, времени облучения, плоскости поверхности облучается), локализации воздействия и анатомо-физиологических особенностей облучаемого.

В зависимости от специфики технологического процесса работа с лазерным оборудованием может сопровождаться воздействием на персонал главным образом отраженного и рассеянного излучения.

Мощный поток лазерной энергии, попадающей на биологические ткани, может вызвать серьезные поражения. Лазерное излучение влияет на живой организм путем тепловой механической и электрической действия. Облучения лазерными лучами может вызвать функциональные нарушения в деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой системы, эндокринных желез. Облучение может привести к сворачиванию или распада крови, повреждения глаз, кожи, вызвать генетические изменения, головная боль, расстройства сна, слабость и т. Д.

Биологическое действие лазерного излучения возникает вследствие поглощения организмом его энергии, что вызывает тепловой эффект. Термический эффект лазерного излучения зависит от физической характеристики лучей спектральной характеристики открытых участков кожи, состояния кровообращения и т. Д.

Способность организма поглощать энергию зависит от характера тканей. Жировая ткань организма вообще не поглощает энергию. Теплоотдача внутренних частей тела очень незначительна, что вызывает локальный нагрев а также концентрацию поглощенной энергии в небольшом объеме. Этим объясняется поражение головного мозга, внутренних органов и т. Д.

Под действием лазерного облучения жидкость, окружающая биологические структуры, мгновенно испаряется, вызывая резкого повышения давления, возникновения, вследствие этого, ударной волны и механической травмы. Происходит не только ожог, но и разрыв тканей, представляет большую опасность для зрительного анализатора.

Наибольшую часть лазерного излучения воспринимает кожный покров, что представляет собой природный экран для защиты внутренних органов. В результате облучения возникают ожоги и отеки кожи различной степени - от покраснения до некроза (омертвение кожи). Глубина проникновения лучей зависит от пигментации кожи. Чем кожа темнее тем меньше глубина проникновения лучей. Порог повреждения темно-пигментной кожи значительно меньше, чем светло-пигментной.

Различают 4 степени поражения кожи лазерным излучением:

I степень - ожоги эпидермиса;

II степень - ожоги дермы (пузыри поверхностных слоев дермы)

III степень - ожоги дермы до глубоких слоев;

IV степень - деструкция всей толщины кожи, подкожной клетчатки и прилегающих слоев.

Особенно опасным является действие лазерного излучения на глаза, через которые оно проходит без потерь, достигая сетчатки. Плотность энергии на сетчатке глаза возрастает при увеличении диаметра зрачка, поэтому повреждение глаза, адаптированного к темноте значительно больше, чем при ярком освещении. Чем темнее сетчатка, тем меньше порог повреждающего плотности энергии. Удаление источника лазерного излучения не гарантирует безопасность глаз.

Биологический эффект действия лазерного излучения усиливается вследствие его многократного воздействия, а также через комбинацию с другими факторами производственной среды.

Лазерное излучение — электромагнитное излучение оптического диапазона, источником которого являются оптические квантовые генераторы — лазеры. Для объяснения сущности и принципов получения лазерного излучения можно воспользоваться планетарной моделью атома, предложенной Э. Резерфордом. Согласно этой модели атомы представляют собой квантово-механические системы, состоящие из ядра и вращающихся вокруг него электронов, занимающих строго определенное, дискретное энергетическое положение. ПеСхема спонтанного (а) и вынужденного (б) излучений атомов реход из одного энергетического состояния в другое осуществляется скачкообразно и сопровождается поглощением или выделение кванта энергии.
Получение лазерного излучения базируется на свойстве атомов (молекул) под влиянием внешнего воздействия переходить в возбужденное состояние. Это состояние неустойчиво, и спустя некоторое время (примерно через 10-8 с) атом может самопроизвольно (спонтанно) или вынужденно под влиянием внешней электромагнитной волны перейти в состояние с меньшим запасом энергии, излучая при этом квант света (фотон). Согласно сформулированному А. Эйнштейном (1917) принципу энергия возбужденными атомами или молекулами будет излучаться с той же частотой, фазой и поляризацией и в том же направлении, что и возбуждающее излучение. При определенных условиях (наличие большого количества падающих квантов и большого числа возбужденных атомов) может происходить процесс лавинообразного увеличения числа квантов за счет вынужденных переходов. Лавинообразный переход атомов из возбужденного состояния, совершаемый за очень короткое время, и приводит к образованию лазерного излучения. Оно отличается от света любых других известных источников монохроматичностью, когерентностью, поляризованностью и изотропностью потока излучения.
Когерентность (от лат. cohaerens находящийся в связи, связанный) — согласованное протекание во времени нескольких колебательных волновых процессов одной частоты и поляризации; свойство двух или более колебательных волновых процессов, определяющее их способность при сложении взаимно усиливать или ослаблять друг друга. Обычные источники генерируют некогерентное излучение, а лазеры — когерентное. Благодаря когерентности лазерный луч максимально фокусируется, он более способен к интерференции, имеет меньшую расходимость и возможность получения более высокой плотности падающей энергии.
Монохроматичность (греч. monos — один, единственный + chroma — цвет, краска) — излучение одной определенной частоты или длины волны. Условно за монохроматическое можно принимать излучение с шириной спектра 3-5 нм.
Поляризация — симметрия (или нарушение симметрии) в распределении ориентации вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне относительно направления ее распространения. Если две взаимно перпендикулярные составляющие вектора напряженности электрического поля совершают колебания с постоянной во времени разностью фаз, такая волна называется поляризованной. Если изменения происходят хаотично, то волна является неполяризованной. Лазерное излучение — высокополяризованный свет (от 75 до 100 %).
Направленность — важное свойство лазерного излучения. Под направленностью лазерного пучка понимается его свойство выходить из лазера в виде светового луча с чрезвычайно малой расходимостью.
Основными характеристиками лазерного излучения являются длина волны и частота, а также энергетические параметры. Все они являются биотропными характеристиками, определяющими действие лазерного излучения на биологические системы.
Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний. В медицине чаще выражают в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм). От длины волны зависит отражение, глубина проникновения, поглощение и биологическое действие лазерного излучения.
Частота, являясь величиной обратной длине волны, указывает на число колебаний, совершаемых в единицу времени. Принято выражать в герцах (Гц) или кратных величинах. Чем больше частота, тем выше энергия кванта света. Различают собственную частоту излучения, которая для конкретного источника неизменна, и частоту модуляции, которая в медицинских лазерах чаще всего может изменяться от 1 до 1000 Гц. Весьма важны энергетические характеристики лазерного облучения.
Мощность излучения (потокизлучения, поток лучистой энергии, Р) — средняя мощность электромагнитного излучения, переносимая через какую-нибудь поверхность. Измеряют в Вт или кратных величинах.
Плотность излучения (плотность потока мощности, или ППМ, интенсивность излучения, Е). Е = P/S, измеряется в Вт/м2 или мВт/см2.
Энергетическая экспозиция (доза излучения, Н) — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Н = Е t = Р t: S, измеряется в Дж/м2 (1 Дж = 1 Вт с).
При использовании лазерного излучения в медицине, в частности в лазеротерапии, важно ориентироваться на параметры не излучения, а облучения (см. Лазерная терапия).
При использовании непрерывного лазерного излучения по контактным методикам доза облучения (Д) равна энергии излучения(W) и измеряется в джоулях: Д = W = Р t.
Для импульсных воздействий дозу облучения рассчитывают в Дж по формуле:
Димп = Римп t f tau,
где Римп — мощность одиночного импульса в Вт; t — время воздействия в с; f — частота повторения импульсов в Гц; tau — длительность лазерного импульса в с.
В отличие от дозы облучения, поглощенная доза, которая и определяет действие лазерного излучения, всегда будет меньше, что связано с отражением части энергии от облучаемой поверхности. Величину отраженной энергии, которая может варьировать в значительных пределах, определяют с помощью биофотометров.
Поглощенная биообъектом доза лазерного излучения определяется по следующей формуле:
Дпогл = Р t (l — Котр) ,
где Котр — коэффициент отражения кожи или других тканей.
Соответственно для импульсного лазерного излучения эта формула будет выглядеть так:
Дпогл = PИМП t f tau (1 — К) .
При отсутствии биофотометров пользуются усредненными данными: для красного лазерного излучения коэффициент отражения у кожи равен 030, у слизистых оболочек 0,45; для инфракрасного лазерного излучения они соответственно равны 0,40 и 0,35.
В клинической медицине лазерное излучение используется по хирургическому и физиотерапевтическому направлениям. По первому направлению применяют более мощное лазерное излучение, вызывающее микродеструкцию тканей, являющуюся основой лазерной хирургии. Характерными эффектами действия интенсивного лазерного излучения являются коагуляция, сильный нагрев и испарение, абляция, оптический пробой, гидравлический удар и др. В физиотерапии используется низкоинтенсивное лазерное излучение, механизмы действия которого более разнообразны и сложны, но менее известны. Несомненно лишь то, что основу его действия составляют фотофизические и фотохимические процессы, происходящие при молекулярном поглощении энергии излучения и приводящие к различным фотобиологическим эффектам. Важно подчеркнуть, что за счет триггерных механизмов локальные молекулярные изменения трансформируются в системную приспособительную реакцию с ее различными проявлениями на всех уровнях жизнедеятельности организма.
Среди первичных механизмов действия лазерного излучения на биологические системы решающую роль отводят происходящим в митохондриях.
Один из возможных механизмов воздействия лазерного излучения на клетку заключается в ускорении переноса электронов в дыхательной цепи благодаря изменению редокс-свойств ее компонентов. При этом ключевая роль отводится ускоренному переносу электронов в молекулах цитохром-Соксидазы и НАДН-дегидрогеназы. Одновременно из каталитического центра может освободиться оксид азота, играющий, как и повышение дыхательной активности, важную роль в регуляции многих жизненно важных процессов.
За счет различных механизмов лазерное излучение может вызывать усиленную генерацию синглетного кислорода, являющегося химически и биологически высокоактивным соединением. Его образование усиливается при повышении рО2 в тканях. Синглетный кислород инициирует перекисное окисление липидов, изменяет проницаемость мембран, увеличивает транспорт ионов, вызывает ускорение пролиферации клеток и др. Высказывается предположение, что синглетный кислород может вызывать минимальные (додеструктивные) повреждения, выводящие систему из равновесия и стимулирующие ее деятельность в дальнейшем. Это прежде всего относится к мембранам клеток крови.
Фотоакцепторами лазерного излучения могут быть многие витамины, ферменты, в т.ч. рибофлавин (440 нм), каталаза (628 нм), цитохромрксидаза (600 нм), сукцинатдегидратеназа и супероксиддисмутаза. При терапевтических дозировках их активность и содержание в различных тканях повышается, одним из следствий чего является повышение антиоксидантного статуса в тканях и снижение ПОЛ.
Лазерное излучение может прямо или косвенно влиять на мембраны, изменять их конформацию, ориентацию на них рецепторов и состояние фосфолипидных компонентов. К следствиям таких изменений относят повышение проницаемости мембран в отношении Са2+, а также увеличение активности аденилатциклазной и АТФ-азной систем, сказывающееся на биоэнергетике клетки.
Многие авторы первичное действие лазерного излучения объясняют его влиянием на структуру воды, а через нее на реакции, протекающие в водных системах, и на белки, микроокружение которых представлено молекулами воды.
В последнее время активно разрабатывается фотодинамический механизм первичного действия низкоинтенсивного излучения. Согласно ему, хромофорами лазерного излучения являются эндогенные порфирины, содержание которых подвергается изменению при многих заболеваниях. Порфирины, поглощая излучение, индуцируют свободнорадикальные реакции, приводящие к предстимуляции (праймингу) клеток. Повышение активности клеток сопровождается увеличением различных биологически активных соединений (оксид азота, супероксидный анион-радикал, гипохлорит-ион, цитокины и др.), влияющих на микроциркуляцию, иммуногенез и другие физиологически значимые процессы.
Под влиянием лазерного излучения существует возможность локализованного нагрева абсорбирующих хромофоров, что может сопровождаться структурными изменениями биомолекул и их активности. Лазерное излучение кроме того может приводить к возникновению неоднородного температурного поля в биологических тканях вследствие неравномерного распределения поглощающих структур. Такая неравномерность нагрева может оказать существенное влияние на обменные процессы в тканях и клетках. Результатом многих первичных реакций является изменение редокс-статуса клетки: смещение в сторону более окисленного состояния связано со стимуляцией жизнеспособности клетки, смещение в сторону более восстановительного состояния — с ее подавлением.
Названные и другие первичные эффекты низкоэнергетического лазерного излучения сопровождаются спектром вторичных изменений, которые и определяют его физиологическое и лечебное действие. Оно зависит от многих факторов, среди которых важнейшими являются длина волны используемого излучения (и, соответственно, энергия его фотонов) и длительность воздействия. Поскольку в лазеротерапии применяют почти исключительно низкие плотности мощности лазерного излучения (до 100 мВт/см2), то влияние этого фактора менее существенно. В настоящее время наиболее востребованными являются биостимулирующий эффект лазеротерапии. Он определяет наиболее широкий диапазон терапевтического действия и максимально выражен у лазеров красного и ближнего инфракрасного спектров с длиной волны от 620 до 1300 нм. Важно отметить, что лазерная биостимуляция возникает лишь при непродолжительных (до 3-5 мин) воздействиях. Ингибирующий эффект лазеротерапии, присущий в основном коротковолновому излучению УФ-спектра, наблюдающийся при длительной экспозиции, используется значительно реже.
Вызванные поглощением энергии лазерного излучения фотохимические и фотофизические процессы развиваются прежде всего в месте его воздействия (кожа, доступные слизистые оболочки), поскольку глубина его проникновения зависит от длины волны и не превышает нескольких сантиметров. Основное звено в биостимулирующем эффекте лазеротерапии — активация ферментов. Она является следствием избирательного поглощения энергии лазерного излучения отдельными биомолекулами, обусловленного совпадением максимумов их спектра поглощения с длиной волны лазерного излучения. Так, лазерное излучение красного спектра поглощается преимущественно молекулами ДНК, цитохрома, цитохромоксидазы, супероксиддисмутазы, каталазы. Энергия лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона поглощается в основном молекулами кислорода и нуклеиновых кислот. В результате увеличивается содержание свободных (более активных) биомолекул и радикалов, синглетного кислорода, ускоряется синтез белка, РНК, ДНК, возрастает скорость синтеза коллагена и его предшественников, изменяется кислородный баланс и активность окислительно-восстановительных процессов. Это приводит к ответным реакциям клеточного уровня — изменению заряда электрического поля клетки, ее мембранного потенциала, повышению полиферативной активности, что определяет такие процессы, как скорость роста и пролиферации тканей, кроветворение, активность иммунной системы и системы микроциркуляции, затем ответная реакция организма переходит на тканевой, органный и организменный уровни.
Низкоэнергетическое лазерное излучение является неспецифическим биостимулятором репаративных и обменных процессов в различных тканях. Лазерное облучение ускоряет заживление ран, что обусловлено улучшением локального кровотока и лимфооттока, изменением клеточного состава раневого отделяемого в сторону увеличения количества эритроцитов и полинуклеаров, увеличением активности обменных процессов в ране, торможением перекисного окисления липидов. При облучении пограничных тканей по краям раны наблюдается стимуляция пролиферации фибробластов. Кроме того известно о бактерицидном эффекте лазерного излучения, связанного с его способностью вызывать деструкцию и разрыв оболочек микробной клетки. Активация гормонального и медиаторного звена общей адаптационной системы, наблюдающаяся при применении лазерного излучения, также может рассматриваться как один из механизмов стимуляции репаративных процессов.
При лазерном облучении стимулируется регенерация костной ткани, что послужило основанием для использования его при переломах костей, в т.ч. и с замедленной консолидацией. Под влиянием лазерного излучения улучшается регенерация в нервной ткани, снижается импульсная активность болевых рецепторов. Наряду с уменьшением интерстициального отека и сдавления нервных проводников, это определяет болеутоляющее действие лазеротерапии.
Лазерное излучение обладает выраженным противовоспалительным эффектом, который, вероятно, прежде всего обусловлен улучшением кровообращения и нормализацией нарушенной микроциркуляции, активацией метаболических процессов в очаге воспаления, уменьшением отека тканей, предотвращением развития ацидоза и гипоксии, непосредственным влиянием на микробный фактор. Существенную роль также играет активация иммунной системы, выражающаяся в повышении интенсивности деления и росте функциональной активности иммунокомпетентных клеток, увеличением синтеза иммуноглобулинов. Противовоспалительному эффекту способствует стимулирующее влияние лазерного излучения на эндокринные железы, в частности на глюкокортикоидную функцию надпочечников. Важно подчеркнуть, что как при бактериальном загрязнении раневой поверхности, так и при обострении хронического воспалительного процесса более целесообразно применение лазеров УФ-диапазона (использование ингибирующего эффекта для подавления альтерации и экссудации), а в стадии пролиферации и регенерации — красного и инфракрасного диапазонов. При вялотекущих воспалительных и при дегенеративно-дистрофических процессах следует воздействовать излучением только красного и инфракрасного спектра.
Под влиянием лазерного низкоэнергетического излучения происходит увеличение количества эритроцитов и ретикулоцитов, наблюдается усиление митотической активности клеток костного мозга, активируется противосвертывающая система, снижается СОЭ. Это действие на кроветворение развивается как прямым, так и косвенным путями. В первом случае генерируемый лазером свет, поглощаясь порфиринами эритроцитов, приводит к уменьшению резистентности и даже к распаду небольшого количества их. Продукты распада, очевидно, и активируют костно-мозговое кроветворение. Косвенное действие лазерного излучения реализуется вследствие активации деятельности эндокринных желез, прежде всего гипофиза и щитовидной железы, которые имеют непосредственное отношение к регуляции функции кроветворения.
Лазерное излучение, увеличивая энергетический потенциал клетки, способствует повышению устойчивости организма в целом к действию неблагоприятных факторов, в т.ч. и к ионизирующей радиации.
В общем, наиболее выраженными эффектами лазеротерапии, возникающими преимущественно в месте воздействия, являются: трофико-регенераторный, улучшающий микроциркуляцию, противовоспалительный, иммуностимулирующий, десенсибилизирующий, противоотечный, болеутоляющий.
При лазеротерапии регистрируются не только изменения в месте облучения, но и наблюдается общая ответная реакция организма. Генерализация местного эффекта происходит благодаря нейрогуморальным реакциям, которые запускаются с момента появления эффективной концентрации биологически активных веществ в облученных тканях, а также за счет нервно-рефлекторного механизма. Возникающие сдвиги основных показателей деятельности ЦНС, сердечно-сосудистой системы, ряда биохимических процессов носят, как правило, отсроченный характер и проявляются через некоторое время (минуты, часы) после процедуры. При этом они наиболее выражены при облучении акупунктурных зон.
Лазерное излучение с его уникальными свойствами нашло широкое и разнообразное использование в медицине. Источниками его являются квантовые генераторы — лазеры с различными физическими характеристиками (см. Лазер). Медицинские лазеры излучают в УФ-, видимом (чаще всего в красной области) и инфракрасном диапазонах оптического спектра, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. По терапевтическому направлению используется низкоинтенсивное лазерное излучение, генерируемое чаще всего гелий-неоновыми и полупроводниковыми лазерами (см. Лазерная терапия). Лазеротерапию применяют в самых различных клиниках при очень многих заболеваниях.
Показания: Высокоинтенсивное лазерное излучение, вызывающее видимые изменения тканей, используется по хирургическому направлению. Такое излучение способно вызывать резку и сварку тканей, коагуляцию, абляцию и гемостаз. С этой целью наиболее часто используют лазеры на аргоне, парах меди, на красителях, углекислоте, неодимовые и близкие к ним лазеры. Эксимерные лазеры нашли широкое применение в офтальмохирургии. Лазерное излучение (чаще средней интенсивности) применяется в так называемой фотодинамической терапии. Использование в этой технологии фотосенсибилизатора облегчает динамическую деструкцию патологически измененной клетки, но отнюдь не является обязательным условием ее. Фотодинамическая терапия сегодня наиболее широко применяется в лечении онкологических заболеваний, но границы ее применения постепенно расширяются. Весьма своеобразная область использования лазерного излучения — лазерная косметология. В косметологии наиболее часто пользуются углекислыми и эрбиевыми лазерами, а также лазерами на алюмо-иттрий-гранатовом кристалле. Лазерные технологии в косметологии применяют для таких косметологических процедур, как дермабразия, лифтинг, удаление гемангиом и телеангиоэктазий на лице, эпиляция волос и др. Лазерное излучение начинают использовать в программах эфферентной терапии, в лабораторных технологиях, а также в галографии. Совершенно очевидно, что возможности медицинской лазерологии далеко не исчерпаны.

Еще в далеком 1917 году ученый А. Эйнштейн выдвинул гениальное предположение о том, что атомы способны излучать индуцированные световые волны. Однако нашло это предположение подтверждение лишь спустя почти полвека в то время, как советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым было начато создание квантовых генераторов.

Из первых букв английского названия этого устройства была составлена аббревиатура – лазер, следовательно, излучаемый им свет – лазерным. Встречается ли среднестатистический человек с лазером в повседневной жизни?

Современность дает возможность повсеместно наблюдать за прекрасными танцующими световыми лучами, исходящими от лазера.

Их активно применяют для создания световых шоу, а также в косметологии, медицине и технике. Именно поэтому в наши дни так активно применяются лазерные технологии для эстрадных представлений и производства всевозможных гаджетов.

Но вдруг лазерный свет вреден для человека? Именно этот вопрос мы сегодня и подымем. Но дня начала нужно перенестись в школьные годы и вспомнить о лазерных световых квантах.

В природе источником света являются атомы. Лазерный луч – не исключение, однако он рождается в результате немного отличных материальных процессах и при условии, что существует наружное влияние электромагнитного поля. На основе этого можно сказать, что лазерный свет – это вынужденное явление, то есть простимулированное.

Лучи лазерного света распространяются практически параллельно по отношению друг друга, поэтому они имеют мизерный угол рассеивания и способны интенсивно влиять на облучаемую поверхность.

Чем же тогда лазер отличается от привычной (также созданной руками людей) лампочки накаливания? В отличие от лазера, у лампы спектр рассеивания составляет практически 360 о, в то время, как пучок от лазера имеет узкую направленность.

В силу того, что квантовые генераторы плотно обосновались в жизни современного человека, ученых всерьез обеспокоил вопрос, нет ли негативного влияния от такого «соседства». В ходе проведения многих опытов им удалось добиться больших результатов и выяснить, что лазерный луч обладает особыми свойствами:

во время работы лазерной установки можно получить негативные последствия напрямую (из самого аппарата), от рассеянного света или отраженного от других поверхностей;
от того, на какую ткань воздействует лазер, а также от параметров его волны будет зависеть степень воздействия;
поглощаемая любыми тканями энергия может оказывать тепловой, световой или любой другой отрицательный эффект.

Если лазер воздействует на биологическую ткань, то последовательность поражающих результатов выглядит примерно так:

быстрое поднятие температуры и проявления признаков ожога;
межтканевая и клеточная жидкость закипает;
в результате вскипания образовывается пар под высоким давлением, который ищет выход и взрывает соседние ткани.

Если дозы облучения маленькие или средние, то можно отделаться ожогами кожных покровов. Но при сильном облучении кожа приобретает отечный и омертвевший вид. А внутренние органы получают сильнейшие травмы. Самую большую опасность представляют прямые и зеркально отраженные лучи, которые негативно сказываются на работе важнейших органов и их систем.

Отдельного внимания заслуживает тема влияния лазера на зрительные органы.

ВАЖНО! Импульсные короткие вспышки лазера могут привести к очень сильным поражениям сетчатки, радужки и хрусталика глаза.

На это есть 3 причины:

Короткий лазерный импульс длиться 0,1 секунды и за это время просто не успевает сработать защита зрения – мигательный рефлекс.
Роговая оболочка и хрусталик – это чрезвычайно восприимчивые органы, которые легко повредить.
Поскольку глаз сам по себе – это целая оптическая система, то она и сама вносить вклад в собственное разрушение при попадании лазера. Она фокусирует луч на глазном дне и заламывает на сетчатку. Тут луч поражает хрупкие сосудики этого органа, вызывая их закупорку. Отсутствие болевых рецепторов позволяет даже не ощутить, что определенный участок на сетчатке уже поражен до тех пор, пока некоторые предметы просто не будет видны, находясь в поле зрения.

Лишь по пришествии некоторого времени начинается отечность век, боль в глазах, судорожные сокращения и кровоизлияние на сетчатке. К слову, клетки последней не регенерируются.

ВАЖНО! Излучение, в результате которого может повредиться зрение, имеет низкий уровень. А вот для повреждения кожи достаточно излучения высокой интенсивности. Инфракрасные лазеры или любые источники света видимого спектра, мощность которых превышает 5 мвт – это потенциально опасно.

Прекрасные изобретатели по всему земному шару во время своих изобретений квантовых генераторов даже и предположить не могли, какую популярность приобретут их детища в скором времени. Однако такое всеобщее признание требует знаний, какой длины волны применять для той или иной операции.

Что же влияет на длину лазерной волны? Поскольку лазер – рукотворное устройство, то и природа его волн будет определена механическим строением генерируемого луч прибора. Лазеры могут быть твердотельными и газовыми.

Чудо-свет одновременно может находится в диапазоне от 30 до 180 мкм и быть частью ультрафиолетового, видимого (чаще красного) или инфракрасного участка спектра.

Но именно длина волны во многом влияет на характер воздействия этого света на человеческое тело. Так, красный свет менее чувствителен для нашего глаза нежели зелены. То есть наше веко сомкнется при виде зеленого пучка света, поэтому он является менее опасным, чем тот же красный.

Защита от лазерного излучения на производстве

На производстве, где применяются квантовые генераторы прямо или косвенно задействовано огромное количество людей. Для таких сотрудников разработаны четкие предписания, регулирующие степень личной защиты от излучения, потому как любая лазерная установка представляет потенциальную опасность для тех или иных органов тела.

Изготовители подобных установок обязаны указать, к какому их 4-х классов опасности относится данный прибор. Наибольшую угрозу являют лазеры 2,3 и 4 категории.

К общественным средствам защиты на производстве относятся защитные экраны и кожухи, камеры наблюдения, светодиодные индикаторы, сигнализации или ограждения, устанавливаемые в зонах с повышенным уровнем опасности излучения.

Индивидуальные методы предохранения включают специальные комплекты одежды и очки с нанесенным покрытием от лазерного луча.

ВАЖНО! Своевременно обследование в больнице и соблюдение всех предписанных на производстве мер защиты – это лучшие профилактические методы защиты от волн.

В нашем быту наблюдается бесконтрольное применение самодельный лазерных приборов, установок, лазерных указок и светильников. Чтобы избежать неприятных последствий стоит четко соблюдать правила их использования:

только в местах, где нет посторонних людей можно «играться» лазерами;
большую опасность, чем прямой луч, несут отраженные от стекла или другого зеркального предмета световые волны;
даже самый «безобидный» луч с невысокой интенсивностью при попадании в подле зрения водителя, пилота или спортсмена может привести к трагическим последствиям;
лазерные приспособления нужно беречь от использования детьми и подростками;
при низком положении облаков можно направлять пучки света в небо, дабы избежать попадания света в воздушный транспорт;
категорически запрещено смотреть в объектив на источник света;
при ношении защитных очков важно контролировать степень их защиты от разных по длине лучей.

Современные квантовые генераторы и лазерные устройства, встречающиеся в быту – это реальная угроза для их обладателей и окружающих. Защитить себя или близких поможет лишь строгое соблюдение всех мер предосторожности. Только тогда можно насладиться поистине завораживающим зрелищем.

В последние десятилетия в промышленности, медицине, при научных исследованиях, в системе мониторинга состояния окружающей среды нашли применение лазеры. Их излучение может оказывать опасное воздействие на организм человека и в первую очередь на орган зрения. Лазерное излучение (ЛИ) генерируют в инфракрасной, световой и ультрафиолетовой областях неионизирующего ЭМИ.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволяют создать интенсивность порядка 10 10 Вт/см 2 , что достаточно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 10 15 Вт/см 2 и больше. Для сравнения отметим, что значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего 0,1‒0,2 Вт/см 2 .

В настоящее время в промышленности используется ограниченное число типов лазеров. Это в основном, лазеры, генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра (λ = 0,44‒0,59 мкм; λ = 0,63 мкм; λ = 0,69 мкм), ближнем ИК-диапазоне спектра (λ = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диапазоне спектра (λ = 10,6 мкм) . При оценке неблагоприятного влияния лазеров все опасности разделяют на первичные и вторичные. К первым относят факторы, источником образования которых является непосредственно сама лазерная установка. Вторичные факторы возникают в результате взаимодействия ЛИ с мишенью.

К первичным факторам вредности относят ЛИ, повышенное электрическое напряжение, световое излучение, акустические шумы и вибрация от работы вспомогательного оборудования, загрязнение воздуха газами, выделяющимися из узлов установки, рентгеновское излучение электроионизационных лазеров или электровакуумных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Вторичные факторы включают отраженное ЛИ, аэродисперсные системы и акустические шумы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с мишенью, излучение плазменного факела.

ЛИ может представлять опасность для человека, вызывая в его организме патологические изменения, функциональные расстройства органа зрения, центральной нервной и вегетативной систем, а также влиять на внутренние органы, такие как печень, спинной мозг и др. Наибольшую опасность ЛИ представляет для органа зрения. Основным патофизиологическим эффектом облучения тканей ЛИ является поверхностный ожог, степень которого связана с пространственно-энергетическими и временными характеристиками излучения.

Воздействие лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая уязвимость роговицы и хрусталика глаза при воздействии электромагнитных излучений самых различных длин волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на несколько порядков по отношению к роговице выделяют его в наиболее уязвимый орган. Степень повреждения глаза главным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зрения в основном приводит к поражению роговицы. Поверхностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра устраняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4‒1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнитным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой инфракрасной и ближней ультрафиолетовых областей. Повреждение глаза может изменяться от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полностью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных повреждений, приводящих к ухудшению зрения и даже к полной его потере.

Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловидном теле и водянистой влаге передней камеры глаза. При умеренных повреждениях эти среды глаза способны самовосстанавливаться. Лазерное излучение средней инфракрасной области спектра может причинять тяжелое тепловое повреждение роговице.

Отметим, что лазерное излучение оказывает повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений ‒ тепловое действие. Импульсное лазерное излучение представляет большую опасность, чем непрерывное.

Воздействие лазерного излучения на кожу. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть различными: от легкого покраснения до поверхностного обугливания и образования глубоких дефектов кожи. Эффект воздействия на кожные покровы определяется параметрами излучения лазера и степенью пигментации кожи.

Пороговые уровни энергии излучения, при которых возникают видимые изменения на коже, колеблются в сравнительно широких пределах

(от 15 до 50 Дж/см 2).

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением, в зависимости от длины волны приведены в табл. 5.

Таблица 5

Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи лазерным излучением