Radiazioni ottiche laser

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1 Radiazioni ottiche laser Si completa la redazione di contributi relativi alle radiazioni non ionizzanti di origine ottica, trattando le sorgenti laser, sempre più impiegate in molti comparti e quindi per molteplici applicazioni sia in settori produttivi che in attività di servizi, si pensi ad esempio in quest ultimo caso all impiego medico. A cura della Redazione di Wolters Kluwer Italia Caratterizzazione delle radiazioni laser Si tratta di radiazioni ottiche artificiali (ROA) che diversamente da quelle esaminate nel precedente contributo, vengono emesse in modo coerente anziché incoerente. La coerenza sta nel fatto che le onde elettromagnetiche emesse viaggiano o sono dirette tutte nella stessa direzione (in linea retta), anziché in una pluralità di dimensioni nello spazio. Da questa caratteristica scaturisce il principale vantaggio della tecnologia, ossia un elevata efficienza nel processo di amplificazione degli effetti sul materiale (o sulla materia) cui sono dirette le radiazioni. Altre proprietà e peculiarità delle radiazioni laser sono le seguenti: monocromaticità: i fotoni vengono emessi con la stessa lunghezza d onda (λ) ovvero con la stessa frequenza; unidirezionalità: il fascio di luce laser non diverge. Questo consente di indirizzarlo con estrema precisione e focalizzare il punto di azione e brillanza: ossia la potenza (in watt o in joule al secondo) emessa per unità di superficie e per unità di angolo solido. Questa caratteristica permette di raggiungere una densità di energia tale da sublimare o fondere i metalli più duri ed i materiali refrattari. Recentemente si è aggiunta un altra caratteristica: quella degli impulsi ultrabrevi. Con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti di onde estremamente stretti nel dominio del tempo; attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dell ordine del femtosecondo (10-15 secondi). Questi laser sono utilizzati nello studio della cinetica delle reazioni chimiche. L insieme di queste caratteristiche ne consente una notevole flessibilità d uso. L elevatissima brillanza, che ha la finalità di concentrare una grande potenza in un area molto piccola, permette ai laser il taglio, l incisione e la saldatura di metalli; la monocromaticità e la coerenza li rendono ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell ordine del micrometro (10-6 m). La monocromaticità ha un altra caratteristica, quella di permettere il trasporto delle informazioni nelle fibre ottiche o nello spazio libero anche per lunghe distanze. La classificazione dei laser è fatta in base alla potenza, le classi previste sono le seguenti 1 : Classe 1 - Exempt Laser. Il fascio laser è considerato innocuo in qualsiasi condizione d uso. Questo perché la radiazione emessa è sempre al disotto degli standard massimi consentiti (MPE, Massima Esposizione Permessa). Classe 2 - Low-Power, Visible, Continuous-Wave Laser. I laser in questa classe possono emettere radiazione pericolosa, tuttavia la loro potenza è sufficientemente bassa da consentire, con un azione di riflesso, di evitare esposizioni inattese. Questo non esclude la possibilità di riportare danni nel caso di esposizione prolungata ( prolungata qui significa maggiore di 0,25 secondi). Sono compresi in questa classe solo i laser ad emissione continua e nel visibile, con potenza 1 mw. 1 L ordinanza 16 luglio 1998 pubblicata nella Gazzetta Ufficiale n. 167 del 20 luglio 1998 vieta, su tutto il territorio nazionale, la commercializzazione di puntatori laser o di oggetti con funzione di puntatori laser di classe pari o superiore a Ⅲ (>1 mw), secondo la norma CEI EN 60825; lo stesso provvedimento è emanato nell Unione europea dalla direttiva CEI EN 60825/1 e negli USA dal "Chapter 21 CFR (the Code of Federal Regulations)". 1

2 Classe 3A - Medium Power Laser. I laser con emissione nel visibile e una potenza in uscita fino a 5mW per i laser in continua, o 5 volte il limite di classe 2 per i laser a impulsi ripetuti o a scanning. Possono emettere radiazioni sia nel campo del visibile che in quello del non visibile e i loro fasci non sono pericolosi se osservati direttamente in maniera non continua, mentre lo possono diventare se si utilizzano strumenti che amplificano e concentrano il fascio ottico (quali microscopi, binocoli, ecc.). Classe 3B - Medium Power Laser. I laser di classe 3B hanno potenze medie comprese tra i limiti della classe 3A e 500 mw. I laser di classe 3B sono pericolosi per gli occhi se non protetti e possono essere pericolosi per la pelle; anche le riflessioni diffuse da questi sistemi possono essere pericolosi. Classe 4 - High Power Laser. Sono i laser più pericolosi in quanto, oltre ad avere una potenza tale da causare seri danni ad occhi e pelle anche se il fascio è diffuso, possono costituire un potenziale rischio di incendio, causare fuoruscita di materiale tossico e spesso il voltaggio e l amperaggio di alimentazione sono pericolosamente elevati. Principi di funzionamento Il laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è un emissione stimolata a seguito della sua struttura di specchi paralleli, di cui uno perfettamente riflettente ed uno semiriflettente. I fotoni, passando vicino agli atomi eccitati, producono il decadimento degli elettroni dall orbita instabile a maggiore energia, a quella stabile a energia inferiore con conseguente emissione di altri fotoni, tutti rigorosamente della stessa frequenza e della stessa fase, che vengono anche loro costretti a oscillare in avanti e indietro fra i due specchi, che costituiscono una cavità risonante ottica. Raggiunta una certa intensità, i fotoni riescono ad uscire dallo specchio semitrasparente in un unico raggio perfettamente monocromatico e in fase, perché generato dall emissione stimolata di atomi tutti assolutamente eguali, e perfettamente rettilineo, perché prodotto dopo un innumerevole numero di oscillazioni in linea retta che ne garantiscono il mantenimento della direzione impartita. La schematizzazione del processo appena descritto è illustrata in Figura 1. Figura 1 Schematizzazione del funzionamento di un sistema laser Il mezzo attivo che funziona come cavità ottica, è realizzato utilizzando diversi materiali, che caratterizzano il laser risultante. Così avremo le diverse tipologie riportate in Tabella 1. 2

3 Tabella 1 Camera ottica e tipologie di laser Principali utilizzi del laser Le radiazioni laser hanno molteplici impieghi legati alla diversità delle caratteristiche della radiazione, con un campo di applicazione che va dalla medicina, all industria. La scelta della sorgente (tipologia), frequenza e potenza dipende appunto dall uso previsto. Tipici esempi sono illustrati in Tabella 2. Tabella 2 Tipologie di laser e utilizzi industriali Lavorazioni di materiali foratura, taglio, saldatura, trattamenti termici, marchiatura, ecc.; settore industriale settore civile settore ambientale settore della presentazione settore giochi di luce settore beni durevoli Applicazioni nei laboratori di ricerca (scienze pure) Misure industriali, civili ed ambientali: interferometri laser per metrologia, misuratori di diametri di fili, granulometri, rugosimetri, sistemi di rilievo di campi di deformazione; sistemi laser di allineamento, livelle laser, telemetri topografici e geodimetri; lidar e rilevatori di inquinamento; laser per la visualizzazione di ologrammi, pointer laser per conferenze, sistemi laser per la didattica; laser per effetti speciali in discoteche, mostre, spettacoli all aperto e simili; lettori laser di codici a barre, lettori di compact disk, stampanti laser e simili; Telecomunicazioni e fibre ottiche Sorgenti laser a semiconduttore per applicazioni, tramite fibra ottica, nella trasmissione ed elaborazione ottica dei dati; Applicazioni mediche Applicazioni dei laser in oftalmologia, in chirurgia generale, in chirurgia con microscopio operatorio, in chirurgia endoscopica, in terapia antalgica Ottica non lineare, spettroscopia lineare e non lineare, interazione radiazione materia, ecc. 3

4 Le sorgenti di rischio Un presupposto per la sicurezza degli utilizzatori è la conoscenza del tipo di sorgente laser ed in particolare la classe. Il parametro detto limite di emissione accettabile (LEA) descrive i livelli di radiazione emergente da un sistema laser; la sua valutazione permette la collocazione dell apparato nella opportuna categoria di rischio. La determinazione del LEA deve essere effettuata nelle condizioni più sfavorevoli ai fini della sicurezza. I danni maggiori legati all utilizzo del laser sono quelli biologici, che sono comuni a tutte le ROA (occhi e cute). Oltre al rischio biologico sono associati altri danni da esposizione da queste sorgenti: contaminazione ambientale: dovuta a residui di lavorazione di materiali tagliati, perforati o saldati con fasci laser, a gas provenienti da sistemi laser flussati a gas o da sottoprodotti di reazioni (Br, Cl, HCN, ecc.), coloranti usati come materiali attivi e relativi solventi, sostanze nocive contenute in elementi quali condensatori e trasformatori impiegati nell operazione dei sistemi; radiazioni ottiche collaterali non provenienti direttamente dal sistema laser, quali radiazioni UV, visibili e IR provenienti da lampade flash e da tubi di scarica dei laser in continua o da reirradiazione dei bersagli; rischi elettrici legati alle alte tensioni con cui vengono normalmente alimentati i sistemi laser o ai banchi di condensatori utilizzati per i laser impulsati; rischi di esplosioni legati, per esempio, ai banchi di condensatori o ai sistemi di pompaggio ottico di laser di elevata potenza o alle reazioni esplosive di reagenti nei laser chimici; rischi di incendio nell uso di fasci laser di elevata potenza; rumore prodotto dai condensatori di laser impulsati di potenza elevata e alla interazione con il bersaglio nella lavorazione dei materiali. Misure di prevenzione e protezione Nelle sedi in cui vengono utilizzate sorgenti laser devono pertanto essere attuate delle misure di prevenzione e protezione per gli addetti ai lavori e per chi si trovi nelle vicinanze. Esse sono proporzionate al rischio collegato con la classe dell apparato in uso. Tali misure di prevenzione e protezione possono consistere in: protezione sulla sorgente: segnali e cartelli di avvertimento (Figura 2, per limitare e controllare gli accessi), indicazioni di sicurezza, schermi protettivi, connettori di blocco a distanza; protezione dal fascio laser: arresto di fascio automatico in caso di radiazione eccedente i livelli prestabiliti, tragitto dei fasci su materiali con proprietà termiche e di riflettività adeguate e schermature, assenza assoluta di superfici speculari; protezione degli occhi: un protettore oculare con filtri adeguato al livello specifico di radiazione (DPI) deve essere utilizzato ove siano in funzione laser delle classi 3 e 4; vestiti protettivi: da prevedere ove siano utilizzati laser di classe 4 e gli operatori siano sottoposti a livelli di radiazione che superano i livelli di esposizione massima permessi; formazione: i laser di classe 3 e 4 possono rappresentare un pericolo non solo per gli utilizzatori ma anche per altre persone, anche a considerevole distanza. Il personale che opera con tali dispositivi deve, pertanto avere una preparazione adeguata per minimizzare il rischio professionale; sorveglianza medica: esami oculistici e dermatologici da effettuarsi prima dell assunzione e periodicamente durante l utilizzo di dispositivi di classe 3 e 4. 4

5 Figura 2 Segnaletica ed indicazioni di sicurezza per laser 5