课件：培训120613激光防护眼镜.ppt

产品培训讲座20120610,何铁锋,-激光防护眼镜,由于激光具有单色性好、方向性强、相干性 及亮度高等优异性能。 使其在工业、农业、 医疗、国防、军事等领域得到了广泛应用， 并成为当代科学技术中发展最快的科技领 域之一。,也正是由于激光的这些特点对人体和光电设 备的传感器及光学系统构成了极大威胁，激 光安全与防护防护已受到极大重视。,产生激光的介质主要有四种类型，固体（晶体、玻璃等）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、液体（有机或无机液体）和半导体。这些激光介质发射出的激光覆盖了电磁波的大部分范围，可以从远紫外（100nm）波段到远红外（10mm）波段。,-前言,国际电工委员会（IEC）：制定和管理国际激光安全标准，IEC 60825-2007 美国：美国国家标准协会（ANSI）激光安全委员会制定Z136-2000标准 中国： a)激光产品的辐射安全：GB7247.1-2001 b)激光防护设备的安全标准： GB18151-2000 c)激光安全标志标准： GB18217-2000 d)激光作业场的安全标准： GB10435-1989 e)军用激光安全标准共45项,-激光产品的分类,激光产品的分类 (GB 7247.1-2001) 1类激光:其连续波功率很小，只达微瓦或亚微瓦级，正常运行条件下不会产生危害，一般不必采取防范措施。 例如:激光打印机等。,-激光产品的分类,激光产品的分类 (GB 7247.1-2001) 2类激光：功率为（0.1-1）mW，仍属小功率范围，可以用肉眼观察。其输出剂量不超过1类激光源的最大允许辐射剂量，虽不是绝对安全的，但眼睛对这类激光源看久了会自动生厌（眨眼）而自我保护。 例如:游 戏 用 激 光 枪 、 激 光 棒 及 条 码 扫 描 器等 。,-激光产品的分类,激光产品的分类 (GB 7247.1-2001) 3A类激光：其连续波输出功率达（1-5）mW，通常应加防护措施，其工作区及激光源本身均应挂相应的警告标记，另外，利用光学仪器直视这类激光源会对眼睛带来危害，也应加强防护。 例如:激 光 棒 及 直 线 校 准 仪 器 。,-激光产品的分类,激光产品的分类 (GB 7247.1-2001) 3B类激光：其输出功率为（5-500）mW，直接靠近这类激光源会对身体有危害；通过漫反射器观看这类激光源，距离在150mm以上。观看时间短于10s则是安全的。此类激光源应设警告标记。 例如:用 于 物 理 治 疗 的 激 光 治疗仪等 。,-激光产品的分类,激光产品的分类 (GB 7247.1-2001) 4类激光：激光输出功率在0.5W以上，即使通过漫反射也有可能引起危害，会灼伤皮肤，引燃可燃物。用户操作这类激光源时应特别小心。这类激光源应配备明显的警告标记。 例如:大功率激光表演机、激光工业加工机等 。,激光对人眼的损伤过程主要有热损伤, 光化 学损伤和电离损伤等。,由于眼球是很精细的光能接收器，它是由不 同屈光介质和光感受器组成的极灵敏的光学 系统， 眼的屈光介质有很强的聚焦作用。 将入射光束高度汇聚成很小的光斑， 从 而使视网膜单位面积内接收的光能比入射到 角膜的光能提高 105倍。,视网膜光感受器是极灵敏的光敏组织， 在蓝、 绿光谱内只要8-10 个光子就可以产生视觉， 其能量相当于 1.410-5J/cm2。,因此，眼球是激光最敏感的器官，很容易受 到激光的伤害。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的基本影响 眼睛 紫外辐射C（180nm-280nm）：光致角膜炎 紫外辐射B（280nm-315nm）：光致角膜炎 紫外辐射A（315nm-400nm）：光化学反应 可见光（400nm-700nm）：光化学和热效应所致的视网膜损伤 红外辐射A（700nm-1400nm）：白内障、视网膜灼伤 红外辐射B（1400nm-3000nm）：白内障、水分蒸发、角膜灼伤 红外辐射C（3000nm-1mm）：仅为角膜灼伤,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 激光对视觉的伤害是激光产品最大的潜在危害,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 不同激光波长对眼睛的伤害 a)可见光激光:眼屈光介质(角膜、房水、晶状体）对可见光谱（400nm-700nm)的激光透过率很高，吸收率低。造成眼底视网膜和脉络膜损伤。 b)近红外、远红外激光：1064nm激光（YAG、Nd玻璃）能量一半损伤屈光介质 ，一半损伤视网膜。1060nm辐射（C02激光）可完全被角膜吸收。 c)紫外激光：眼屈光介质透过率随波长变短迅速下降，被角膜吸收，引起角膜炎和结膜炎。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 瞳孔大小及损害程度： a)缩小的瞳孔可以减少进入眼底的激光量。 b)瞳孔越大进入眼内的激光量越大，眼底损伤程度越重，越不可逆转。 c)在光线较暗的室内，瞳孔散开就大，在这样的环境中调试，使用激光器者，必须慎重保护眼睛。因此时眼睛的瞳孔处于最大状态，进光量虽少，也最容易伤害眼睛视网膜。缩小的瞳孔，除能减少进光量而外，瞳孔外的激光量可被虹膜吸收、而将热量由虹膜的微血管扩散转移。 d)一般人的眼睛在暗的环境时，瞳孔直径为78mm，在可见的强光下可以缩小到只有1.5mm，通常在白天瞳孔直径约23mm。因而，最大瞳孔与最小瞳孔之间的透光面积相差20倍以上。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 激光入射角与眼伤害关系：激光不与视轴同步，偏离角度越大，视网膜的损伤越轻，虹膜可挡住偏离的激光而不会进入眼底。由于黄斑部位中央凹在视觉功能中起的作用极重要，而且这部位又最容易受损伤，所以直视激光束的危险程度要比偏离视轴一个角度射入眼睛的危险程度大很多，必须绝对避免。,-激光辐射的危害,激光辐射对眼睛的危害 眼底色素含量多少与受到激光伤害程度有特定关系：色素组织极容易吸收激光能量，故色素含量多少直接影响到激光对视网膜的损伤程度。机体肤色深浅与眼底色素呈正相关联系，皮肤色重者，其眼底所含的色素数量也多；皮肤色白者，眼底含色素数量相对较少。,可见激光主要损伤最脆弱的视网膜，尤以 0.53 m 的绿光致盲效果最佳，如 Nd:YAG 倍频激光和 Nd:YAG激光,从下表可以看出 人眼对不同波长激光的吸收情况。,由于人眼很容易受到激光的严重损伤，所以 激光防护措施是有必要的。,表 人眼屈光介质的透射率与视网膜的吸收率,理想的激光防护技术及防护材料应有如下性能指标 1 、防护带宽足够宽，对人体和光学系统有害的各 谱线激光均有所需要的衰减能力 2、输出阈值足够低，应使入射的激光光强衰减至 人眼所能接受的安全范围，对激光辐射能量的 衰减程度，常用光学密度OD表示,激光防护材料的性能指标,式中T为防护材料对波长为 的入射激光的透过 率 ,Ii为入射到防护材料的激光强度， It为透过防护 材料的激光强度。,从公式 可以看出,若防护材料的光密度为 3，可使 光强减弱到原来的 1/103，如果光密度为 6 可使 光强减弱到原来的 1/106,3 、输入阈值足够低，在足够低的激光能量和功率 密度入射下，能把输出能量和功率限制在所要求的 输出阈值以下。 4 、对弱辐射有较高的线性透过率，以保证人眼对 周围环境有足够高的可见光和光电传感器对信号接 收的要求. 5 、响应时间快，对脉宽为纳秒的高重复频率激光 束响应及时。 6、破坏阈值大，对于足够强的激光入射，有较高的 破坏阈值，以防止防护器材损坏而失去防护能力。,激光技术的飞速发展对激光防护器材的要求越来越 高，为了使操作人员的眼睛得到有效的保护。人们 开展了对激光防护原理、方法、材料的探索和研究。,从防护原理上分：激光防护材料主要有基于线性 光学原理的激光防护材料，基于非线性光学原理 的激光防护材料和基于相变光学原理的激光防护 材料,从光学原理上看，光与物质相互作用，使介质 产生极化，宏观极化强度和光场强度 的关系可 用下式表示,基于式中的线性项产生光学效应的激光防护材料，称 为基于线性光学原理的激光防护材料，主要包括线性 吸收型、反射型、衍射型、复合型以及相干型防护材 料。,激光防护方法及防护原理,一、基于线性光学原理的激光防护材料,1、吸收型防护材料,目前国内外应用最广，实用化技术最高的激光防护 材料，有塑料型和玻璃型两种。塑料型是在光学塑 料中加入吸收激光的有机染料，优点是光密度高、 质轻、价格低、制备方便。 缺点是易老化，表面硬 度低，耐化学试剂性差 。,玻璃型是在玻璃熔炼的过程中加入无机燃料制成， 克服了塑料防护材料的缺点。但其光密度低，吸 收波长少。,目前实现多波段防护的激光玻璃的研究也取得了 很大进展，南京工业大学研制的吸收0.53和 1.06 m 的激光防护玻璃，光密度达到4，可见光透过 率T58%基本满足激光防护的要求。,2、反射型激光防护材料,在玻璃基底上蒸镀多层介质膜，利用光的干涉原理， 有选择地反射特定波长的激光，而使其他波长的激 光绝大部分通过。与吸收型防护材料相比，反射型 激光防护材料是反射激光，因此能经受更大的激光 功率。,3、衍射型激光防护材料,在全息光学元件研究工作的基础上研制出新型激 光防护材料，根据布拉格衍射原理 SIN=/2X 式中为照射角，为激光波长，X 为全息 图干涉条纹间距 。,利用全息摄影方法，在塑料或玻璃基片上制作三维 相位光栅。通过控制全息图干涉条纹间距，可以按 防护要求反射特定波长的光，而使其他波长的光通 过。,4、复合型激光防护材料,在吸收型防护材料表面再镀上反射膜，既能吸收某 一波长的激光，又能利用反射膜反射特定波长的激 光，在一定程度上改变了防护材料的防护性能，从 而达到激光防护的目的。,5、相干型激光防护材料,由多层介电材料沉积在基片上制作而成，由于激光 的高相干性，使得激光在通过相干防护材料后相干 相消，起到滤光的作用。,上述基于线性光学原理的激光 防护材料还存在着明显的缺点 如表所示，只对光波波长敏感 对光波强度不敏感，对同一波 长的强光和弱光的入射不加区 分地平等吸收和反射，因而对 同一波长的高光学密度和高透 明度两个指标不能同时兼顾。,二、基于非线性光学原理的激光防护材料,自从 Leite 等人首次观察到光限幅现象至今，人们 对基于非线性光学理论的激光防护研究一直有着浓 厚的兴趣，并取得了很大进展。 1994 年美国首次 报道了一种全波段防护式的宽带热散焦液态光限幅 器。,基于非线性光学原理的激光防护技术是 20世纪 80 年代发展起来的新型激光防护技术，利用了三阶非 线性光学效应，主要有非线性吸收、非线性折射、 非线性散射和非线性反射。,非线性吸收型包括反饱和吸收和双光子吸收，从目 前的研究成果看，研究最多、性能最好、可接近实 用化的方案是非线性反饱和吸收。,它是一种吸收系数随入射光强增加而增加的现象， 特点是响应时间快，一般为皮秒量级，适于对调 Q和锁模激光的防护。,1、非线性吸收型,非线性折射型包括自散焦和自聚焦两种非线性光学 效应。是指在高斯光束作用下，非线性材料内产生 折射率的轴对称变化和光强。,2、非线性折射型,其防护原理为：当入射光的光强小于自聚焦和自散 焦阈值时，材料呈现出高透射性。当入射光强达到 或超过自聚焦或自散焦阈值时，材料呈现低透射并 使出射光强基本稳定在某一值。,由某种液体和微粒构成的悬浮液非线性散射体的特 点。若弱光入射时悬浮液的光学性质是均匀的，光 通过悬浮液不出现非线性散射，呈高透射特性。强 光照射时悬浮液的光学性质是非均匀的，光通过悬 浮液时出现非线性散射，呈低透射特性。,3、非线性散射型,非线性反射包括非线性界面和反射双稳态，线性材 料和非线性材料之间的界面称之为非线性界面，其 光限幅器原理如图 所示,当光强达到一定阈值后，非线性 介质的折射率增大，入射光发生 非线性反射，从而实现光限。 1992 年 R.R.Michael等人研究 了碳悬浮颗粒的非线性界面的 光限幅原理。,4、非线性反射型,三、基于相变原理的激光防护材料,这是 20 世纪80 年代发展起来的新型防护材料，是 利用热致相变材料。在室温下为一种结构，呈透明 态，受到激光照射后，材料产生温升，当温度上升 到一定高度时转变为另一种结构，变成不透明状态。,目前研究最多的相变材料是VO2薄膜 VO2晶体相变 时，从高温四方晶系相变到低温的单斜晶系。,上述基于非线性光学原理的激光防护材料的共同特 点是：不仅对波长敏感，对光强也敏感，对同一波 长的强光和弱光入射时的作用是不同的。在原理上 克服了线性光学防护方法的缺点，同时兼顾了同一 波长的高光学密度和高透明度两个指标，是国内外 激光防护研究的趋势和热点之一。,激光防护镜有多种类型，所用材料不同，原理各异，应用 场合也不同。因此，要提供对激光有效防护，必须按具体 使用要求对激光防护镜进行合理的选择。选择防护镜时， 首先根据所用激光器的最大输出功率（或能量）、光束 直径、脉冲时间等参数确定激光输出最大辐照度或最大 辐照量。而后，按相应波长和照射时间的最大允许辐照 量（眼照射限值）确定眼镜所需最小光密度值，并据此 选取合适防护镜。选择的具体条件主要有：,1、大辐照量Hmax(J/m2)或最大辐照量HEmax (W/m2)； 2、特定的防护波长； 3、在相应防护波长的所需最小光密度值Dmin； 4、防护镜片的非均匀性、非对称性、入射光角 度效应等； 5、抗激光辐射能力； 6、可见光