مقدمه ای بر ایمنی لیزر: چرا ارزش چگالی نوری (OD) تنها عامل محافظت نیست؟

مقدمه: توهم ایمنی 'سوخته شده' 

در کشوهای بسیاری از آزمایشگاه های لیزر یا کارگاه های پردازش، تعدادی عینک لیزری با برچسب OD 6+ یا OD 7+ وجود دارد. بسیاری از اپراتورها این را مسلم می‌دانند که از آنجایی که این عینک‌ها می‌توانند بیش از 99.9999 درصد از انرژی لیزر را کاهش دهند، استفاده از آنها کاملاً ایمن است. این سناریو را تصور کنید: هنگام کالیبره کردن یک لیزر فیبر کیلوواتی، پرتو به طور تصادفی به عینک شما برخورد می کند. 

اگر شیشه‌ها فقط دارای مقدار OD بالا باشند اما از مواد رزینی ارزان و مقاوم در برابر شعله ساخته شده باشند، ممکن است در عرض 0.1 ثانیه کربن شوند یا حتی ذوب شوند. در چنین حالتی، حتی با بالاترین میزان تضعیف لنز، لیزر مستقیماً از طریق سوراخ سوخته به چشم نفوذ می کند و باعث آسیب غیرقابل برگشت شبکیه می شود.
'مسدود کننده نور برابر با مقاومت در برابر حرارت نیست.' به همین دلیل است که هنگام تفسیر حفاظت لیزری، باید از چگالی نوری ساده (OD) فراتر رفته  و استاندارد درجه بندی دقیق EN 207 L را اتخاذ کنیم .

مقدار OD را دوباره تعریف کنید: پهنای حفاظت

مقدار OD (چگالی نوری، چگالی نوری) 'توانایی مسدود کردن' لنز را در طول موج خاصی از لیزر اندازه گیری می کند.

• جوهر فیزیکی: یک نسبت لگاریتمی است. OD 6 به معنای عبور (T) 10 است ^-6که به این معنی است که تنها یک میلیونم انرژی نور از آن عبور می کند.

• سناریوهای قابل اجرا: مقدار OD برای توصیف حفاظت در برابر نور پراکنده یا نور بازتاب منتشر بسیار مناسب است. در عملیات روزانه، اطمینان حاصل می کند که نور باقیمانده وارد شده به چشم انسان زیر 'حداکثر سطح نوردهی مجاز' (MPE, Maximum Permissible Exposure ) باشد.

آزمایش مقادیر OD معمولاً در محدوده خطی کم توان انجام می شود. فقط به شما می گوید 'این شیشه یا پلاستیک چقدر تیره است'، اما به شما نمی گوید 'این ماده چقدر گرمای آنی را می تواند تحمل کند'.

درک EN 207 و کلاس L: ضخامت حفاظت

برخلاف استاندارد ANSI Z136 آمریکای شمالی (که بر مقادیر OD تاکید دارد)، استاندارد اروپایی EN 207 الزامات سخت گیرانه تری را برای لیزرهای پرقدرت کلاس 3B و کلاس 4 اعمال می کند. این کلاس L (شماره مقیاس) را معرفی می کند که آزمون نهایی دوام ساختاری عینک است.

قانون 10 دوم بقا 

EN 207 تصریح می کند که تجهیزات حفاظتی باید خواص حفاظتی خود را حفظ کرده و از آسیب ساختاری در هنگام قرار گرفتن در معرض تابش مستقیم برای 10 ثانیه (برای موج پیوسته) یا 100 پالس (برای لیزر پالسی) با چگالی توان مشخص جلوگیری کنند.

معنای شهودی سطح L

سطح L (به عنوان مثال، LB1 تا LB10) یک نشانگر سخت گام به گام است.
LB1: حفاظت پایه، طراحی شده برای کنترل چگالی توان کمتر.
LB7: نشان می دهد که عینک می تواند در برابر نور مستقیم خورشید تا 107 W/m2 بدون شکستگی مقاومت کند.
LB10: درجه قدرت فوق العاده بالا، معمولاً فقط با پوشش های خاص یا لنزهای شیشه ای کامپوزیت قابل دستیابی است.

تمرین صنعت: توهم ایمنی در سناریوهای مختلف

برای درک بهتر اینکه چرا فقط مقدار OD کافی نیست، اجازه دهید سناریوهای دنیای واقعی را از دو صنعت معمولی بررسی کنیم:

مورد الف: جوشکاری لیزری فیبر صنعتی (لیزر پیوسته با توان بالا) 

سناریو : یک کارخانه قطعات خودرو با استفاده از لیزر فیبر پیوسته 6000 وات (1064 نانومتر).

تصور اشتباه : افسر تدارکات عینک های محافظ پلی کربنات (PC) ارزان قیمت با برچسب OD 7+ @ 1064nm خریداری کرد.

خطر : لیزرهای صنعتی دارای اندازه نقطه بسیار کوچک و چگالی انرژی بالایی هستند. در صورت خطاهای عملیاتی یا ناهماهنگی پرتو که منجر به نوردهی مستقیم می‌شود، انرژی 6000 وات می‌تواند فوراً از طریق لنز رایانه شخصی مانند 'چاقوی داغ از طریق کره' ذوب شود.

توصیه LSO:

 برای این سناریو، انتخاب عینک‌هایی که از رتبه D 1064 LB7 برخوردار باشند یا بیشتر از آن باشند، الزامی است. LB7 نشان می‌دهد که مواد لنز برای مقاومت در برابر شوک حرارتی پایدار ناشی از چگالی توان بسیار بالا، تقویت‌کننده‌های ویژه‌ای را متحمل شده‌اند که «زمان بسته شدن چشم یا فرار» را برای اپراتور فراهم می‌کند.

مورد B: ماشینکاری دقیق لیزری فوق سریع (لیزر پیکوثانیه/فمتوثانیه) 

سناریو: آزمایشگاه نیمه هادی با استفاده از لیزر فمتوثانیه 515 نانومتری برای برش ویفر.

تصور غلط: اعتقاد به اینکه عینک محافظ لیزری سبز معمولی تا زمانی که قدرت (W) زیاد نباشد کافی است.
خطر: اگرچه میانگین توان لیزرهای فوق سریع کم است، اما اوج چگالی توان به طرز شگفت انگیزی برای هومو ساپینس بالا است . در عرض میکروثانیه، مقدار عظیمی از انرژی فورا آزاد می‌شود و باعث ایجاد «اثرات غیرخطی» در مواد می‌شود. پوشش ضد پراکندگی لنزهای معمولی ممکن است در سطح میکروسکوپی 'از کار بیفتد' و به لیزر اجازه نفوذ مستقیم می دهد.
توصیه LSO: 

استفاده از عینک های محافظ که با درجه M (Mode-coupled) مشخص شده اند، مانند M 515 LB5 ضروری است. 'M' در استاندارد EN 207 به طور خاص برای پالس های فوق سریع طراحی شده است و تضمین می کند که عینک ها در زیر پیک های پالس بسیار بالا دچار شکست گذرا نمی شوند.

منطق انتخاب برای افسران ایمنی لیزر

به عنوان مقاله آغازین این مجموعه، باید یک فرمول اصلی را به خاطر بسپاریم: 

حفاظت لیزری مثبت = مقدار OD کافی (تضعیف نوری) + سطح L همسان (مقاومت در برابر سوختگی).

آیا برای فرو رفتن در محاسبات هاردکور آماده هستید؟ در مقاله بعدی نشان خواهیم داد: چگونه باید 'نمودار مقایسه سطح L' روی میز افسر ایمنی لیزر را تفسیر کنید؟