Lasersicherheit im Labor

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1 Lasersicherheit im Labor Dr. Sven M. Ulrich Institutt für Halbleiteroptik und Funktionelle Genflächen(IHFG) Grenzflächen (IHFG), Universität Stuttgart, Allmandring 3, Stuttgart basierend auf dem Fortbildungslehrgang S Laserschutzbeauftragter in Medizin und Technik (10/2007), Forschungszentrum Karlsruhe / Fortbildungszentrum t für Technik und Umwelt 1

2 Inhalt dieses Vortrags Rechtliche Grundlagen zum Laserschutz: Schutzbestimmungen: Grenzwerte Klassifizierung von Laser-Gefahrenklassen Anzuwendende Schutzkonzepte: Laserhersteller: Konstruktion und Gerätekennzeichnung Exkurs: Biologische Schädigung (Auge, Haut) durch Laserlicht/LED Anwender: Technische, organisatorische und persönliche Schutzmaßnahmen im Laboralltag Beispiele von Gefahrenquellen in wissenschaftlichen Laboraufbauten 2

3 Rechtsvorschriften in der Laseranwendung: UVV + Informationen zur Anwendung der Schutzvorschriften der UVV Laserstrahlung auf: neue Laserklassen neue Grenzwerte (MZB-Werte) gem. DIN EN (11/2001) Herausgeber: Gesetzliche Unfallversicherung (GUV) Unfallkasse Baden-Württemberg, Hauptsitz Stuttgart, Augsburger Str. 700, Stuttgart 3

4 Rechtsvorschriften für die Laseranwendung: UVV Unfall-Verhütungsvorschrift (UVV) Laserstrahlung : Geltungsbereich Begriffsbestimmungen Bau und Ausrüstung Betrieb: Allgemeine Bestimmungen (Kennzeichnung, Schutzmaßnahmen, Instandhaltung, ) Zusätzliche Bestimmungen für besondere Anwendungen (Vorführung, Unterrichtszwecke, Medizin, ) Ordnungswidrigkeiten g (gem. SGB VII) Übergangsbestimmungen (für geänderte Klassifizierungen) Anhänge: Begriffsbestimmungen bzgl. Charakterisierung von Laserstrahlung Kennzeichnung der Laserklassen: Grenzw. zugänglicher Strahlung (GZS) Maximal zulässige Bestrahlung (MZB-Werte) Laserschutzstufen (für Schutzbrillen / Justierbrillen) Kurse für Laserschutzbeauftragte Bezugsquellenverzeichnis 4

5 Ziel: Geschlossene Hierarchie von Schutzmaßnahmen Übergeordnete Festlegung der Schutzregelungen: EG-Richtlinien + Nationales Recht Unfall-Verhütungsvorschriften (UVV) + DIN-Normen 5

6 Begriffsbestimmung: Meßgrößen Bewertung der Gesamtstrahlung ausgehend von einer Laserquelle: Strahlungsleistung P (in Watt (W) oder Joule/Sekunde (J/s)) = die pro Zeiteinheit von einer Quelle abgegebene Strahlungsenergie Strahlungsenergie Q (in Joule (J) oder Watt-Sekunden (Ws)) = die über eine bestimmte Zeitdauer von einer Quelle abgegebene Strahlungsleistung Festlegung GZS-Werte = Grenzwerte für zugängliche Strahlung 6

7 Begriffsbestimmung: Meßgrößen Bewertung der Bestrahlung eines Flächenelementes: Leistungsdichte bzw. Bestrahlstärke E (in Watt/Quadratmeter (W/m 2 )) = einwirkende Strahlungsleistung pro Flächenelement Energiedichte bzw. Bestrahlung H (in Joule/Quadratmeter (J/m 2 ) bzw. (Ws/m 2 )) = die pro Flächenelement über eine bestimmtezeitdauer eingestrahlte Leistungsdichte Festlegung MZB-Werte = Maximal zulässige Bestrahlung (Auge, Haut!) 7

8 Begriffsbestimmung: Abgeleitete Meßgrößen Grenzwerte für zugängliche g Strahlung (bezogen auf Anlagen): Die GZS-Werte geben dem Anwender eine Aussage über das generelle Gefahrenpotential der Lasereinrichtung ( Laserklasse). Die gerätespezifische Klassifizierung hat durch den Hersteller gem. DIN EN zu erfolgen! GZS-Werte sind tabelliert für jede einzelne Laserklasse: Grenzwerte für maximal freigesetzte Energie bzw. Leistung als Funktion der Wellenlänge und Emissionsdauer Maximal zulässige Bestrahlung (Grenzwerte der Exposition von Personen): Die MZB-Werte sind die Basis für alle Sicherheitsbetrachtungen des Anwenders hinsichtlich Augen und Haut. Grenzwerte für maximale Energie- bzw. Leistungsdichte als Funktion der Wellenlänge und Einwirkungsdauer 8

9 Schutzkonzept: Laserklassen (neue Fassung 2001) Gefährdungspotential: Laser Klasse 1: Laser Klasse 1M (neu): Lasereinrichtungen, die unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen sicher sind Beispiel: CD-ROM-Laufwerke Lasereinrichtungen, die für die Betrachtung mit dem Auge unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen sicher sind. Der direkte Blick in die Quelle mit optischen Geräten (Lupe, Fernrohr, Mikroskop, ) kann gefährlich sein. (= Sicherheitsphilosophie der ehem. Klasse 3A) Kl. 1 und 1M unfokussiert: ~ sicher Kl. 1 und 1M fokussiert/kollimiert: gefährlich! 9

10 Schutzkonzept: Laserklassen (neue Fassung 2001) Gefährdungspotential: Laser Klasse 2: Lasereinrichtungen, die bei kurzzeitiger Bestrahlung (< 0.25 s) Für das Auge sicher sind. Gültig nur für nm (VIS). Laser Klasse 2M (neu): Lasereinrichtungen bei nm (VIS), die bei kurzzeitiger Bestrahlung (< 0.25 s) sicher sind, solange der Strahlquerschnitt nicht mit optischen Geräten (Lupe, Fernrohr, Mikroskop) verringert wird. Kl. 2 und 2M unfokussiert: sicher < 0.25 s Laser-Pointer P<1 mw VIS Kl. 2 fokussiert/kollimiert: sicher < 0.25 s Kl. 2M fokussiert/kollimiert: gefährlich! Kriterium: Lidschlußreflex (0.25 s)! 10

11 Schutzkonzept: Laserklassen (neue Fassung 2001) Gefährdungspotential: Laser Klasse 3A (alt): Klasse 1M oder 2M Zugängliche Laserstrahlung kann zu Augengefährdung führen, wenn eine Beobachtung der Strahlung mittels optischer Instrumente (Lupe, Fernrohr, ) erfolgt, die zur Reduktion des Strahlquerschnitts führen. Ohne solche Instrumente ist die Emission bei nm (VIS) bei kurzer Bestrahlung < 0.25 s (Lidschlußreflex) und bei anderen Wellenlängen auch bei Langzeitexposition ungefährlich. Laser Klasse 3R (neu): Lasereinrichtungen, bei denen die max. zulässige Bestrahlung (MZB) überschritten wird, deren Strahlungsleistung l t jedoch auf das 5-fache des Grenzwertes von Klasse 1(M) / Klasse 2(M) (VIS) limitiert ist. Max. 5-facher MZB von Kl. 1(M) / 2(M)! Klasse 3R hat bereits hohes Gefährdungspotential, jedoch weit geringer als Klasse 3B, 4! 11

12 Schutzkonzept: Laserklassen (neue Fassung 2001) Gefährdungspotential: Laser Klasse 3B: Lasereinrichtungen (Laser bzw. LEDs), bei denen bereits der kurzzeitige Blick in den Strahl sehr gefährlich für das Auge ist, z.t. besteht auch Gefahr bei direkter Exposition der Haut! Diffuse Reflexionen sind harmlos / ungefährlich. Helium-Neon-Laser (632.8 nm; P < 5 mw) Fasergekoppelter Dioden-Laser ( nm; P max ~ 40 mw) 12

13 Schutzkonzept: Laserklassen (neue Fassung 2001) Gefährdungspotential: Laser Klasse 4: Laser- bzw. LED-Einrichtungen, Einrichtungen die für Auge und Haut in jedem Fall sehr gefährlich sind! Auch diffuse Reflexionen können gefährlich sein! Ti:Saphir-Laser: nm (cw + ps / fs) P av < 300 mw W Nd:YVO 4 (2 )-Pumplaser: 532 nm, 10 W cw 13

14 Zusammenfassung: Laserklassen (neue Fassung 2001) 14

15 Schutzkonzept: Kennzeichnungspflicht durch Hersteller DIN-gerechte Kennzeichnung von lasertechnischen Anlagen! 15

16 Schutzkonzept: Laser-Kennzeichnung (Gerät) Beispiele: Laser Klasse 2 (oder) (cw) Warnzeichen Achtung!!! Durch Ändern der Abschirmung (Öffnen des Gehäuses) kann sich die Laser- klasse deutlich erhöhen! (wichtig bei Wartungs- und Justagearbeiten!) Zusatztafeln mit Angaben zu Leistungskenngrößen 16

17 Schutzkonzept: Laser-Kennzeichnung (Gerät) Laser Klasse 4 (Ti:Sa, ps + fs) Laser Klasse 3B (cw-hene) Laser Klasse 4 (cw FK-Laser) 17

18 Gefährdung durch offen betriebene Lasersysteme Experimentelles Laser-System (IHFG) Kommerzielles Laser-System (Coherent) 18

19 Exkurs: Biologische Gefahren durch Laserstrahlung Welche potentiellen Gefahren für den Anwender gehen von der Arbeit mit Lasern aus? Klassifizierung in der UVV: (a) Gefährdung der Haut bzw. von Gewebe (b) Gefährdung der Augen Festlegung g von Grenzwerten für Maximal zulässige Bestrahlung (MZB) von Augen und Haut nach DIN EN Festlegung von Schutzmaßnahmen für den Anwender 19

20 (a) Gefährdung für lebendes Gewebe Spezifische Reaktion des Gewebes bestimmt durch: spektrale Absorption Lichtstreuung Wärmeleitung im Gewebe Faktoren: Art, Dauer und Intensität der Laserstrahlung UV 532 nm UV Blut Wasser Quelle: J. Eichler, T. Seiler, Lasertechnik in der Medizin (Springer 1991) 20

21 (a) Gefährdung für lebendes Gewebe Irreversible Schädigung des Gewebes! Quelle: J. Eichler, T. Seiler, Lasertechnik in der Medizin (Springer 1991) 21

22 (b) Gefährdung für das menschliche Auge Fokussierende Wirkung der Augenlinse: Die Leistungsdichte E wird auf der Netzhaut um den Faktor erhöht!!! Ti:S Saphir (2 ) Arg on / Nd:Y YVO 4 HeN Ne / Diod denlaser Ti:S Saphir / Dio denlaser Besonderes Gefahrenpotential: Das optische System des Auges bleibt auch in Bereichen des NUV und NIR teiltransparent! VIS: Starke Absorption der Netzhaut! Quelle: 22

23 (a) + (b) Laserwirkung auf Haut / Gewebe u. Auge NIR VIS 23

24 Maximal zulässige Bestrahlung (MZB) MZB-Werte = exp. ermittelte Grenzwerte der Energie- / Leistungdichte ohne schädigende Wirkung auf Gewebe oder Auge MZB: Haut Quelle: GUV-I

25 Maximal zulässige Bestrahlung (MZB) Quelle: GUV-I 832 MZB: Auge / Hornhaut 25

26 Schutzkonzept: Schutzmaßnahmen durch den Anwender 26

27 Schutzkonzept: Schutzmaßnahmen durch den Anwender Technisch: Organisatorisch: (Laser Klasse 3R, 3B + 4) 27

28 Sicherheitsmaßnahmen (1): Technisch / Organisatorisch Optische Kennzeichnung + Abgrenzung von Laserbereichen Anzeige bei laufendem Betrieb! Eingeschränkter Zutritt! 28

29 Sicherheitsmaßnahmen (1): Technisch / Organisatorisch Laborwände matt und diffus reflektierend Doppelte Sicherung der Laborzugänge zum Schutz von Personal vor evtl. Laser-Streulicht 29

30 Forschungslabore (Universität Stuttgart) Modulare Setups (UV / VIS / NIR) offene Strahlführung! Quantenoptik / Tieftemperatur-µPL 30

31 Spektralbereiche: Halbleiter-Quantenoptik-Forschung am IHFG InP/AlGaInP- Quantenpunkte (VIS) InGaN/GaN- Pyramiden (UV-VIS) InGaAs/GaAs- Quantenpunkte (NIR) Variable Laserquellen (cw + Puls) Schutz der Augen / Haut vor kohärentem Streulicht!!! 31

32 Spektralbereiche: Halbleiter-Quantenoptik-Forschung am IHFG InGaN/GaN-QWs (UV-VIS) Opt. Anregung < 350 nm (UV) Emission (VIS) Frequenzverdopplung BBO Photolumineszenz Ti:Sa (2 350 nm ~8 mw (fs; 76 MHz), 100 pj VIS 32

33 Spektralbereiche: Halbleiter-Quantenoptik-Forschung am IHFG VECSEL-Projekt AlGaInP-VECSEL (AlGaInP-MQW) Vollschutzbrille: OD6 ( nm) VECSEL-Struktur gepumpt mittels 6 W (cw) Nd:YVO 4 - Festkörperlaser (Fokus: 32.5 kw/cm 2 ) Emission ~ nm extern < 650 mw (Cavity: ~ 43 W) Vollständiger Schutz vor intensivem Streulicht! 33

34 Spektralbereiche: Halbleiter-Quantenoptik-Forschung am IHFG Resonanz-Fluoreszenz an einzelnen InGaAs/GaAs-QDs Vollschutzbrille: OD6 ( nm) 900 nm ~1.5 W primär (ps; 76 MHz), 20 nj Mikropillar- Resonatoren 34

35 Sicherheitsmaßnahmen (2): Persönliche Schutzmaßnahmen Persönlicher Schutz: Laser-Vollschutzbrillen EN 207: Laser-Vollschutzbrillen sind ausgelegt für eine maximale Expositionszeit von 10 s (D) bzw. 100 Pulse!!! Trotzdem: Direkten Blick in den Strahl vermeiden!!! 35

36 Sicherheitsmaßnahmen: Persönliche Schutzmaßnahmen Persönlicher Schutz: Laser-Vollschutzbrillen Bsp.: D 532 L4 RH DIN CE (OD 4-5) 5) 36

37 Sicherheitsmaßnahmen: Persönliche Schutzmaßnahmen Laser-Vollschutzbrillen: Bestimmung der richtigen Schutzstufe Bsp. (I): cw-laser ( = 532 nm; P 0 = 10 W; d Beam = 2.25 mm) Bestimme Leistungsdichte ( Bestrahlstärke tä E): Bestimme Schutzstufe L xx aus UVV-Tabelle für und Modus: D: Dauerstrich-Laser I, R: Impuls-/Riesenimpulslaser M: Modengekoppelter Laser 37

38 Sicherheitsmaßnahmen: Persönliche Schutzmaßnahmen Laser-Vollschutzbrillen: Bestimmung der richtigen Schutzstufe Bsp. (II): 2 ps ML-Laser ( = 800 nm; f = 76.2 MHz; P av = 1.30 W; d Beam = 0.8 mm) Energie eines Einzelpulses: l Pulsleistung: (Korr.) Leistungsdichte im Puls: 2 ps- Pulse 150 fs- Pulse Bestimme Schutzstufe t L xx aus UVV-Tabelle für und Modus 38

39 Sicherheitsmaßnahmen: Persönliche Schutzmaßnahmen NIR-Bereich ( > 750 nm): Indirekte Beobachtung des Laserstrahls mittels fokussierbaren Restlichtverstärkern / Bildwandlerröhren für Justagezwecke (Laser / Detektionsseite) Schnelle Strahllokalisierung (Laserjustage) auch mittels Sensorkarten möglich 39

40 Sicherheitsmaßnahmen: Persönliche Schutzmaßnahmen Persönlicher Schutz: Laser-Justierbrillen nur für VIS = nm!!! Laserstreulicht wird sehr stark < 1 mw (D) abgeschwächt! Sicherheit nur für kurze Expositionszeit (0.25 s Lidschlußreflex) garantiert! Direkten Blick in den Strahl vermeiden!!! 40

41 Sicherheitsmaßnahmen: Persönliche Schutzmaßnahmen Laser-Justierbrillen: Klassifizierung /Bestimmung der Schutzstufe R Nur für Laser der Klassen 3R, 3B, 4 zulässig!!! 41

42 Sicherheitsmaßnahmen: Regelmäßige Schulung von Mitarbeitern / Studenten (Version: ) Teilnahme an jährlichen Sicherheitsseminaren (IHFG) verpflichtend! 42

43 Always Watch Your Eyes!!!!!! 43

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 44