随着技术发展,现在激光技术和激光部件在信息技术设备和家用电子产品中应用十分广泛。对于激光辐射的危害如何评估和测量是认证检测中的一个重要环节。
一、激光辐射的危害
激光具有极好的方向性和单色性,并具有高亮度,与普通光有很大的差别. 激光辐射引起损伤的机理,对于所有的生物系统来说都是相似的。可以包括热反应、热声瞬变和光化学相互作用的过程。上述任何一种机理引起损伤的程度均与辐照源的某些固有物理参数有关,其中最重要的是波长、脉宽、聚焦尺寸、辐照度和辐照量。概括地讲,在超阈值照射中,主要的损伤机理与照射的持续时间有关。随着脉冲持续时间的逐渐延长,起主要作用的损伤机理是:照射时间为100ms至数秒时,为热效应;照射时间超过100s时,为光化学效应. 激光辐射,其光束准直性与许多其他已知的辐照类型不同,所加光辐照初期含有高能量,使得过多的能量传导到生物组织中。各种激光辐照时对生物器官的损伤主要是由于该器官对辐照的吸收所致。 短脉冲、高峰值功率激光器,通过不同损伤机理的联合作用,可加重组织损伤。能量在极短的时间内释放到生物组织上,受照射部位会产生很高的辐照度,致使生物组织细胞由液态变为气态。在多数情况下,这些相变极快,可使组织爆裂,细胞崩解。中等剂量,长时间照射可引起某些生物组织,如皮肤、眼睛的水晶体,尤其是视网膜的不可逆改变。
二、激光辐射的评估和测量方法
在信息技术产品中,我国对激光部分的要求依据GB 7247.1-2001《激光产品的安全 第一部分:设备分类、要求和用户指南》。
1.根据激光产品的危害程度可分为四类,每一类规定了相应的可达发射极限ALE。
1类:激光器在合理可预见的工作条件下是安全的。
2类:发射波长为400nm~700nm可见光的激光器,通常可由包括眨眼反射在内的回避反应提供保护。
3A类:用裸眼观测激光器是安全的。对发射波长为400nm~700nm的激光,由包括眨眼反射在内的回避反应提供保护。对于其他波长对裸眼的危害不大于1类激光器。用光学装置(如:望远镜、显微镜)直接进行3A类的光束内视观察是危险的。
3B类:直接光束内视这类激光器是危险的。观察漫反射一般是安全的。
4类:4类激光器能产生危险的漫反射。它们可引起皮肤灼伤、也可引起火灾。使用这类激光要特别小心。
2.根据不同的波长范围、时间基准和各修正系数,可计算出各类激光的ALE限值。具体的ALE限值的计算方法在GB
7247.1中有详细描述。
首先,介绍一下对向角和最大允许照射量这两个概念。
对向角是表观光源(包括漫反射)在观察者眼睛或测量点所张的视角。最大允许照射量MPE水平是指眼或皮肤受到照射即刻或长时间后无损伤发生的最大照射水平,它与辐射波长、脉宽和照射时间、处于危险状态的生物组织、暴露在400nm~1400nm的可见和近红外辐射中的视网膜成像的大小等有关.测试示意图如附图。以辐射功率和辐射能量为表达形式的值,可用50mm的圆形孔径测量辐射功率或辐射能量。光源在视网膜的辐射的大小是无法直接测量的。对波长在400nm~1400nm之间的表观光源(单点)的辐射,采用7 mm的圆形孔径,然后根据对向角的大小来估算表观光源的辐照度和辐照亮度.
现在检测产品遇到的大部分都是表观光源, min=1.5mrad ,当光源的对向角(在不小于100mm的自由空气距离进行测量)小于或等于 min时,ALE和MPE与光源的对向角无关,任何小于 min的角都限制到 min。 在302.5mm~4000mm波长范围内,接收角为 max=0.1rad,当光源的对向角(在不小于100mm 的自由空气距离进行测量)大于或等于 min时,ALE和MPE与光源的对向角无关,任何大于 max的角都限制到 max 表观光源的对向角大于 min时的光源称为扩展光源。对于扩展光源而言,测得功率和能量必须低于规定类别的AEL(可达发射极限)的允许值。在此,AEL是对向角的函数。最小对向角 min也是相对的,它是照射时间t的函数。
min=1.5mrad t<0. min=2t3/4mrad 0.7s≤t<10s
min=11mrad t≥10s
按GB 7247.1:2001的规定,使用多种时间基准。
——对于波长小于或等于400nm的激光辐射,对于波长大于400nm且有意观察是该激光产品设计或功能上固有要求的激光辐射,时间基准为30000s。
——对于波长大于400nm,单波长辐射和有防护罩防护的激光辐射,时间基准为100s。
——在波长400nm~700nm范围内,时间基准为0.25s。
对波长在400nm~1400nm范围内的扩展光源辐射时,光束内视的MPE值可被修正因子C6 所放大。
C6 =1 ≤ min
C6 =/ min min< ≤ max
C6 = min / min > max
对向角min< ≤ max (在100mm处测)且波长在400nm~1400nm范围内,可以通过一个直径为7 mm的圆形孔径测量辐射功率或辐射能量。
值得注意的是:上述测试方法是 IEC 825-1(1993)的测试方法,在其中明确规定了光栅孔径(7 mm)和测试的距离(在100mm处测)。现行的 GB 4943-2001标准对于激光的测试方法是GB 7247.1-2001,但是新的GB 7247.1在等同采用 IEC 825-1(1993)的基础上又加入了第一修订案的内容。由于第一修订案对测试方法有一定的改动,下面把GB7247.1标准中的测试方法与IEC 825-1(1993)不同的地方,介绍如下:
对向角 min< ≤ max (在100mm处测)且波长在400nm~1400nm范围内,当通过一个直径为7 mm的圆形孔径测量辐射功率或辐射能量时,该圆形孔径与光源的距离r取决于对向角
作为选择,如果允许在距离表观光源r以内放置一直径为7mm的圆形孔径,则可用一个直径d在7mm~50mm之间的圆形孔径光阑进行测量,d取决于光源的对向角,该圆形孔径光阑应放置在距离表观光源100mm处。
圆形孔径的直径由 对于表观光源 min 对应不同的照射时间有不同的取值,而max一般取100mrad。
由上可以看出,在有些情况下,光栅孔径和测试的距离在符合上述公式的情况下是可以变动的。
GB 7247.1:2001与IEC60825-1:1993虽然存在一些差异,但是依据 GB7247.1:2001对激光辐射进行测量也是没有问题的。依据CTL538号决议“作为对标准(IEC60950-1)中的规范性引用文件的一种替代,当制造商同意时,IEC 60825-1/A2:2001可以与上述这些标准结合使用
(三)ALE限值的确定
如何确定ALE限值对判定激光辐射是否符合要求是非常重要的。下面举例说明。
例1:对于波长:=780nm,发射持续时间:t=100s
ALE(Class 1)=7×10-4t0.75C4C6 J
C4=100.002(-700)=1.4454
C6=1 ≤ min 因此,
ALE(Class 1)=7×10-4× 1000.75× 1.4454×1=0.0320 J
如果把焦耳换算成毫瓦为:0.32mW
例2:对于波长:=650nm,发射持续时间:t=100s
ALE(Class 1)=3.9×10-3C3C6 J (t>T2) 或7×10-4t0.75C6 J (t
C6=1 ≤ min,t
ALE(Class 2)=10-3×C6W, t>0.25s
=0.001W
根据测量值与计算出的ALE限值比较,可以判断出激光辐射的类别。
在测量时,还应该注意的是测试环境对测试结果的影响。太阳光和灯光都是可见光,有比较宽的光谱范围,这些因素直接影响到测试结果是否合格的判定。因此在测量激光辐射时,要尽量消除这些因素的影响。
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