Laserschutz. Grenzwerte zulässiger Bestrahlung. Persönliche Schutzmaßnahmen. Laserschutzbrillen und Laserjustierbrillen. Dr.

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1 Laserschutz Grenzwerte zulässiger Bestrahlung Persönliche Schutzmaßnahmen Laserschutzbrillen und Laserjustierbrillen Dr. Hans-Jochen Foth Fachbereich Physik, TU Kaiserslautern

2 Konzept des Laserschutzes Einen vollkommenen Schutz vor Laserstrahlung kann es nicht geben Ein gewisses Risiko verbleibt Wie groß ist es? Wie kann man es einschränken?

3 Philosophie des Laserschutzes Biologische Wirkung Physiologische Grundlagen Zulässige Grenzwerte Sicherheitsphilosophie Laserklassen Laserdaten Schutzmaßnahmen Klasse des Lasers

4 Welche Organe sind gefährdet? Es sind zwei Organe gefährdet: Die Augen und die Haut Physiologische Besonderheit der Augen: Im Wellenlängenbereich 400 nm bis 1400 nm wird parallele Strahlung auf die Netzhaut fokussiert. Verstärkungsfaktor: V F P = = F d = Durchmesser der Pupille: 7 mm N 2 d = 49, 10 d d = Durchmesser des kleinsten Lichtflecks auf der Retina: 10 µm 5

5 Bestrahlung auf der Netzhaut für einige ausgedehnte Lichtquellen

6 Relative Wirkungsfunktion für verschiedene biologische Effekte im UV

7 Eindringen von Strahlung in das Auge

8 Transmission der verschiedenen Komponenten des vorderen Augenabschnittes Die Abbildung zeigt in Abhängigkeit der Wellenlänge, welcher Prozentsatz des eingestrahlten Lichtes durch die Hornhaut hindurch tritt (1), bis zur Augenlinse (2), bis zum Glaskörper (3) und bis zur Netzhaut gelangt (4). Die Werte sind vom Alter der Person abhängig, so ist z.b. die Transmission der Hornhaut im UV- Bereich bei Kindern größer.

9 Punktförmige Lichtquelle Lichtfluss durch die Pupille Φ= L F a S 2 F L = Strahldichte des Strahlers F S = Fläche des Strahlers F P = Querschnittsfläche der Pupille F N = Fläche des Lichtflecks auf der Netzhaut a = Abstand Strahler-Pupille E = N Bestrahlungsstärke auf der Netzhaut P E N Φ = = F N L F a 2 S F F N P

10 Ausgedehnte Lichtquelle E N L F P = 2 f a

11 Paralleles Lichtbündel E N = 4 π P d I 2 F F P N sofern die Strahlfläche vollständig die Pupille überdeckt

12 Maximal zulässige Bestrahlung Messwerte für die Erzeugung von Netzhautschäden und Festlegung der maximal zulässigen Bestrahlung für den Wellenlängenbereich 400 bis 500 nm

13 Maximal zulässige Bestrahlung Der erste wichtige Begriff des Laserschutzes ist der der maximal zulässigen Bestrahlung, kurz MZB (im Englischen maximum permissable exposure kurz MPE ). Mit diesem Begriff werden die Strahlengrenzwerte festgelegt, unterhalb derer noch keine Schädigung zu erwarten ist. Je nachdem, ob man kontinuierliche oder gepulste Strahlung betrachtet, sind die Abkürzungen bzw. Einheiten: Bestrahlungsstärke (Leistungsdichte): E in W/m 2 oder Bestrahlung (Energiedichte): H in J/m 2.

14 Grenzwerte zugänglicher Strahlung Der zweite wichtige Begriff ist der Grenzwert zugänglicher Strahlung kurz GZS (im Englischen accesible emission limit kurz AEL ). Mit zugänglicher Strahlung bezeichnet man die Strahlung, die als direkter Strahl oder über Spiegel geführt den Laser verlässt und in einen Bereich gelangt, in dem sie auf Menschen treffen kann. Mit Hilfe der Grenzwerte zugänglicher Strahlung werden Laser in Laserklassen unterschiedlichen Gefahrenpotentials eingeteilt.

15 Grenzwerte zugänglicher Strahlung Neben einer Reihe weiterer Faktoren kann über den GZS- Wert abgeschätzt werden, ob die maximal zulässige Bestrahlung für Haut oder Augen eingehalten oder in welcher Bestrahlungszeit sie überschritten wird. Werden die MZB-Werte nicht überschritten, gilt der Laser als sicher; im anderen Fall müssen Sicherheitsmaßnahmen, wie z.b. Schutzbrillen, eingesetzt werden, um die Bestrahlung bis unter die MZB-Werte zu reduzieren.

16 MZB-Wert das Auge (sichtbarer und infraroter Bereich)

17 MZB-Wert für das Auge (blau-grüner und UV-Bereich)

18 MZB-Wert für das Auge bei Verwendung von gepulsten Lasern

19 Grenzwerte für die Haut Eindringung von Strahlung in die Haut weiße Hautfarbe dunkle Hautfarbe Reflexion der Haut

20 MZB-Werte für die Haut (sichtbarer, infraroter und tiefer UV-Bereich)

21 MZB-Werte für die Haut (UV-Bereich)

22 Maximale Bestrahlungsstärke im UV (nicht kohärente Strahlung)

23 Grenzwerte für mehrere Wellenlängen Wenn ein Lasersystem gleichzeitig mehrere Wellenlängen emittiert, so ist darauf zu achten, in welchen Wellenlängenbereichen die Emissionslinien liegen und ob sich die Wirkung der einzelnen Strahlungskomponenten addiert. In der Tabelle ist zusammengefasst, welche Wellenlängenbereiche additive Wirkung auf die Haut bzw. die Augen besitzen. Spektralbereich 200 nm bis 315 nm 315 nm bis 400 nm 400 nm bis 1400 nm 1400 nm bis 1 mm 200 nm bis 315 nm Auge Haut 315 nm bis 400 nm Auge Haut Haut Auge Haut 400 nm bis1400 nm Haut Auge Haut Haut 1400 nm bis 1 mm Auge Haut Haut Auge Haut

24 Grenzwerte für wiederholt gepulste oder modulierte Laserstrahlung Die bisher beschriebenen Grenzwerte gelten für eine einmalige Bestrahlung der entsprechenden Dauer. Besteht die Bestrahlung aus einzelnen, regelmäßigen Pulsen, so werden niedrigere Grenzwerte angesetzt, denn das Gewebe ist ggf. noch nicht wieder auf seine Ausgangstemperatur abgekühlt, wenn der nachfolgende Puls eintrifft. Die MZB für eine Bestrahlung der Augen im Wellenlängenbereich 400 nm bis 1 mm ist durch die restriktivste der Anforderungen a), b) und c) bestimmt. Wobei die Anforderung c) nur für die thermischen und nicht die photochemischen Grenzwerte stimmt.

25 a) Die Bestrahlung durch einen Einzelpuls einer Pulsfolge darf nicht den MZB-Wert für einen Einzelpuls überschreiten. b) Die mittlere Bestrahlungsstärke für eine Impulsfolge der Einwirkdauer T darf nicht den MZB-Wert nach den Abbildungen 10.6 und 10.7 bzw und für einen Einzelpuls der Einwirkdauer T nicht überschreiten. c) Die mittlere Bestrahlung durch Impulse innerhalb einer Impulsfolge darf den MZB-Wert des Einzelpulses multipliziert mit dem Korrekturfaktor C 5 nicht überschreiten. Erklärung zur Vorgehensweise bei Anforderung c): Über eine Impulsdauer (kürzer als 0,25 s) wird die mittlere Bestrahlung bestimmt und die darin enthaltene Anzahl von Impulsen N. Jede mittlere Bestrahlung durch Impulse muss mit dem reduzierten Grenzwert MZB Impulsfolge verglichen werden: MZB Impulsfolge = C 5 MZB Einzelimpuls Dabei ist MZB Impulsfolge = MZB für jeden Einzelimpuls in der Folge MZB Einzelimpuls = MZB für einen Einzelimpuls und C 5 = N -1/4

26 Laserklassen Abhängig von ihrem Gefährdungspotential müssen Lasersysteme in Klassen eingeteilt und entsprechend gekennzeichnet sein. Für die Zuordnung eines Lasers in eine bestimmte Klasse ist der Hersteller verantwortlich.

27 Gefährdungspotential verschiedener Laser Laser Dünner, paralleler Strahl hoher Leistung Sehr gefährlich Laser Breiter Strahl Weniger gefährlich Teleskop Kann durch Einengung gefährlich werden Laser Direkter Laserstrahl Laser Leitung durch Lichtleitfaser Divergente Strahlen: Werden mit größerem Abstand immer weniger gefährlich Laser Viele einzelne Emitter Ausgedehnter Bereich auf der Netzhaut -> geringere Gefahr

28 Definition der Laserklassen Klasse 1: Laser, die unter vernünftiger Weise vorhersehbaren Betriebsbedingungen sicher sind; dabei ist der Gebrauch optischer Instrumente für die direkte Beobachtung des Strahls eingeschlossen. Da die MZB-Werte unterschritten werden, sind Schutzbrillen oder andere spezielle Schutzmaßnahmen beim Umgang mit diesen Lasern nicht notwendig. Beispiele für Laser der Klasse 1 sind die Diodenlaser in CD- Spielern. In vielen anderen Fällen ist jedoch zu beachten, dass es sich bei Lasern der Klasse 1 um gekapselte Laser einer höheren Klasse handelt, die eine wesentlich höhere Leistung emittieren und dass nur der feste Umbau dafür sorgt, dass die Grenzwerte für die Klasse 1 nicht überschritten werden. Bei Service, Wartung und Instandsetzung kann aber Strahlung einer höheren Klasse frei werden und somit können entsprechend strengere Schutzmaßnahmen notwendig werden.

29 Klasse 1M: Laser, die im Wellenlängenbereich von 302,5 nm bis 4000 nm emittieren und unter vernünftigerweise vorhersehbaren Betriebsbedingungen sicher sind, die aber gefährlich werden können, wenn der Benutzer innerhalb des Strahls Optiken verwendet. Beispiele für Laser der Klasse 1M sind Laserstrahlen aus Lichtleitfasern oder nach dem Durchgang durch eine kurzbrennweitige Optik, so dass der Strahl stark divergent. Oder es handelt sich um einen Laserstrahl mit einem sehr großen Strahldurchmesser. Laser der Klasse 1M werden dann gefährlich, wenn bei divergierender Strahlung der Benutzer optische Komponenten näher als 100 mm an die Quelle bringt, um den Strahl zu kollimieren; oder ein kollimierter Strahl hat einem Durchmesser größer als die Blenden, die man zur Messung der Bestrahlung benutzte und der Strahldurchmesser wird eingeengt (z.b. durch ein Fernrohr).

30 Klasse 2: Laser, die sichtbare Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm aussenden; dabei wird der Schutz des Auges üblicherweise durch Abwendreaktionen einschließlich des Lidschlussreflexes bewirkt. Man kann erwarten, dass diese Reaktion unter vernünftigerweise vorhersehbaren Betriebsbedingungen angemessenen Schutz bietet; dabei ist der Gebrauch optischer Instrumente für die direkte Beobachtung des Strahls eingeschlossen. Für einen kontinuierlichen Laser mit einem parallelen Emissionsstrahl (Durchmesser < 7 mm) beträgt die maximale Leistung 1 mw. Typische Laser dieser Klasse sind Laserpointer, Mess- und Positionslaser, die in Produktionsprozessen, im Baugewerbe und in der Landvermessung eingesetzt werden sowie die Pilotlaser in medizinischen Lasersystemen.

31 Einschub Abwendungsreaktion einschließlich des Lidschlussreflexes: Ergebnisse zweier Forschungsprojekte K. Dollinger, J. Hofmann, H.-D. Reidenbach Fachhochschule Köln Forschungsbereich Medizintechnik/HLT

32 Wellenlänge nm Ergebnisse (Lidschlussreflex, Abwendungsreaktion) Lidschlussreflex/ Lidschluss Anzahl Testpersonen Abwendungsreaktion n % Anzahl Testpersonen n % Laser: ,3 Laser: 632,8 und , ,5 635 Laser: *) 21,5* ) 89 8 *) 9 *) Σ Laser , ,3 LED: 615 oder ,3 LED: weiß , ,8 Σ LED , ,8 Σ Quellen , ,7 * ) Untersuchungen mit dem Linienlaserscanner beinhalten auch 14 Einzel- Messungen, wo die Probanden (14 Personen) angewiesen wurden, bei Laser- Exposition bewusst die Augen zu schließen

33 Zusammenfassung Der Lidschlussreflex tritt insgesamt nur mit einer Häufigkeit von unter 20 % auf. Abwendungsreaktionen mit weniger als 10% sind ein noch selteneres Ereignis als der Lidschlussreflex. Aus diesem Grund ist es wichtig sich durch aktive Schutzreaktionen wie Augen schließen UND sich aus bewusst aus dem Strahl bewegen zu schützen.

34 Konsequenzen Aktive Schutzreaktion als Handlungsanweisung bei der Unterweisung: Als aktive Schutzreaktion wird dabei das bewusste, aktive Schließen der Augen bei gleichzeitiger Abwendung des Kopfes verstanden. Das Schließen der Augen erfolgt dabei willkürlich, im Gegensatz zum Lidschlussreflex, der unwillkürlich d. h. reflektorisch, eintritt.

35 Klasse 2M: Laser, die sichtbare Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm aussenden; dabei wird der Schutz des Auges üblicherweise durch Abwendreaktionen einschließlich des Lidschlussreflexes bewirkt. Jedoch kann die Beobachtung des Ausgangs gefährlich sein, wenn der Benutzer innerhalb des Strahls Optiken verwendet. Beispiele sind ähnlich wie bei Klasse 1M. Außerhalb des Wellenlängenbereiches 400 nm bis 700 nm müssen jegliche zusätzlichen Emissionen von Lasern der Klasse 2M unterhalb der Grenzwerte (GZS) von Klasse 1M liegen.

36 Laser der Klasse 3R: Laser die im Wellenlängenbereich von 302,5 nm bis 1 mm emittieren und bei denen ein direkter Blick in den Strahl gefährlich sein kann, wobei das Risiko geringer ist als bei Lasern der Klasse 3B; für dese Laser gelten geringere Anforderungen an die Herstellung und an die Kontrollmaßnahmen durch den Benutzer als bei Lasern der Klasse 3B. Die Grenze zugänglicher Strahlung ist innerhalb von fünfmal des Grenzwertes (GZS) von Klasse 2 im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm und innerhalb von fünfmal des Grenzwertes (GZS) von Klasse 1 für andere Wellenlängen.

37 Klasse 3B: Laser, bei denen ein direkter Blick in den Strahl normalerweise gefährlich ist. Die Beobachtung von diffusen Reflexionen ist üblicherweise sicher. Diese sind Dauerstrichlaser bis 500 mw Leistung und Impulslaser mit Energiedichten unter 10 5 J/m 2. Die Laserstrahlung dieser Klasse ist auf alle Fälle für das Auge und darüber hinaus auch teilweise für die Haut gefährlich. Diffus gestreute Strahlung von Lasern dieser Klasse ist unter bestimmten restriktiven Bedingungen (Beobachtungszeit kleiner 10 s, Beobachtungsabstand über 13 cm) für das Auge ungefährlich. Ist Zugang zu Bereichen möglich, in denen die Grenzwerte zulässiger Bestrahlung überschritten werden, so müssen Laserschutzbrillen oder Laser-Justierbrillen getragen werden, unter Umständen auch Vorsorge für einen Hautschutz getroffen werden. Bei den Lasern dieser Klasse kann bereits eine Brandgefahr aufkommen, wenn der Strahl auf entzündliches Material trifft. Laser der Schutzklasse 3B sind z.b. Systeme, die im medizinischen Bereich für die Biostimulanz und für Laserakupunktur eingesetzt werden.

38 Klasse 4: Laser, die auch gefährliche diffuse Reflexionen erzeugen können. Sie können Verletzungen der Haut verursachen und können zu Brandgefahren führen. Ihre Anwendung erfordert äußerste Vorsicht. In diese Klasse gehören alle übrigen Laser, deren Leistung bzw. Energie über den Grenzen der Klasse 3B liegen. Sie sind in jedem Fall für das Auge und auch für die Haut gefährlich. Zum Schutz gegen Strahlung dieser Laser für Laserleistungen bis 100 W gibt es im sichtbaren Spektralbereich Laser- Justierbrillen, sonst sind Laserschutzbrillen einzusetzen. Neben dem Augenschutz ist auch Hautschutz notwendig. Es besteht ferner eine große Gefahr, dass durch den direkten Strahl aber auch durch Streustrahlung brennbare Stoffe in Brand gesetzt werden.

39 Quasi alle Lasersysteme, die in der medizinischen Therapie für die Koagulation, Vaporisation, Ablation und Disruption von Gewebe eingesetzt werden, gehören zur Laserklasse 4. Bei vielen medizinischen Geräten, die im Zusammenhang mit Lasern eingesetzt werden, wie Endoskope oder ophthalmologische Geräte, sind zum Schutz des Operateurs Laserschutzfilter fest eingebaut oder werden vor Aktivierung des intensiven Laserstrahls in den Beobachtungsstrahlengang geklappt. Damit erspart sich der Arzt das Tragen von Schutzbrillen.

40 Laser- Klasse 1, 1M* 2, 2M* Leistungsgrenze im sichtbaren Spektralgebiet Kurzbeschreibung des Gefahrenpotentials 0,39 µw Laserstrahlung ist ungefährlich. Eine Bestrahlung der Augen und der Haut verursacht keine Schäden. 1 mw Diese Klasse ist nur für sichtbare Strahlung definiert. Strahlung ist bis zu einer Bestrahlungszeit von 0,25 s ungefährlich. 3R 5 mw Blick in den direkten Strahl kann gefährlich sein. 3B 500 mw Gefahr für Augen und ggf. Haut durch den direkten Strahl; Diffuse Streustrahlung bis 10 s über einem Mindestabstand von 13 cm ungefährlich. 4 Über 500 mw Große Gefahr für Augen und Haut durch direkten Strahl und auch durch Streustrahlung. Erhöhte Brandgefahr. Kurzbeschreibung der Schutzmaßnahmen Keine Keine, da Schutz durch Lidschluss und Abwehrreaktion Augenschutz für Wellenlängenbereich außerhalb von 400 nm bis 700 nm Abschirmung und Laserschutzbrille Abschirmung und Laserschutzbrille, ggf. Hautschutz, keine brennbaren Materialien in der Nähe des Strahls Die Klassen 1M und 2M betreffen Laser mit divergierenden Strahlen, bei der Bestimmung kleinere Messblenden und ein größerer Abstand von der scheinbaren Quelle verwendet wird, verglichen zu den Messungen für die Klasse 1 bzw. 2. Je nach Divergenzwinkel kann die Emissionsleistung deutlich größer sein.

41 Es gibt Laser-Justierbrillen für Justierarbeiten an Laseraufbauten, die Strahlung im sichtbaren Bereich emittieren und Laser-Schutzbrillen für alle Laser-Wellenlängen

42 Justierbrillen Der Sinn von Justierbrillen ist es, die Strahlung so weit abzuschwächen, dass sie keine Gefährdung mehr darstellt. Die Strahlung wird dabei aber nicht vollständig abgeblockt, wie z.b. bei einer Laserschutzbrille, sondern es kann noch so viel Strahlung ins Auge fallen, dass der Strahl für Justierarbeiten gut sichtbar ist. Justierbrillen sind somit nur für Laserstrahlung im sichtbaren Bereich zwischen 400 und 700 nm verfügbar. Sie werden für Laserleistungen bis 100 W angeboten. Ihre genauen Spezifikationen sind in DIN EN 208 Persönlicher Augenschutz, Brillen für Justierarbeiten an Lasern und Laseraufbauten (Laser-Justierbrillen) festgelegt.

43 Berechnung einer Justierbrille Damit ein Laserstrahl durch die Justierbrille noch gut sichtbar ist, wird seine Leistung auf die eines Lasers der Klasse 2 abgeschwächt, d.h. auf kleiner gleich 1 mw. Diese Leistung ist über eine Zeitdauer von 0,25 s ungefährlich, danach sollte aufgrund des Lidschlusses und durch Abwehrreaktion die Strahlung nicht mehr ins Auge gelangen. Justierbrillen werden in den Stufen R2 bis R5 angeboten. Der Buchstabe R charakterisiert eine Justierbrille; die nachfolgende Zahl beschreibt die optische Dichte D. Die Transmission T des Schutzglases der Brille berechnet sich aus der optischen Dichte D über T = 10 -D

44 Angenommen, man will mit einem Ar + -Laserstrahl einer Leistung von 500 mw arbeiten, so muss man den Strahl um den Faktor 500 abschwächen. Als Transmission wird also 10-3 und als Schutzstufe R3 gewählt. Die Tabelle stellt die maximale Laserleistung und die entsprechende Schutzstufe gegenüber. Schutzstufe Optische Dichte Transmission Maximale Leistung für Dauerstrichlaser Maximale Energie für Impulslaser R1 1 bis bis ,01 W J R2 2 bis bis ,1 W J R3 3 bis bis W J R4 4 bis bis W J R5 5 bis bis W J

45 Laserschutzbrillen Laserschutzbrillen sollen die Laserstrahlung von einer Schädigung des Auges abhalten. Sie sollen dabei das normale sichtbare Licht aber weitgehend transmittieren, damit die Umgebung noch gut gesehen werden kann. Die Anforderungen, die eine Schutzbrille erfüllen muss, sind in DIN EN 207 Persönlicher Augenschutz, Filter und Augenschutz gegen Laserstrahlung (Laserschutzbrillen) festgelegt.

46 Aufpassen, nur geprüfte Laserschutzbrillen verwenden!

47 Vereinfachung der MZB-Werte für die Berechnung von Laserschutzbrillen (DIN 58215) gegenüber den auf Messungen basierenden MZB-Werten (VDE 0837)

48 Berechnung der Schutzstufen Für die Laserschutzbrillen wurden Schutzstufen eingeführt, die sich an der optischen Dichte D des Schutzfilters orientieren sowie an der Leistungs- bzw. Energiedichte, der die Brille ausgesetzt werden kann. Die optische Dichte ist der dekadische Logarithmus des Transmissionsgrades T: D = -lg(t) Unter der Voraussetzung, dass die Zerstörschwelle des Schutzglases hoch genug ist, wird die Schutzstufe L gleich der optischen Dichte D gesetzt und auf die nächst ganze Zahl nach unten abgerundet: L = int(d) Die Transmission eines Schutzglases der Schutzstufe L5 ist also 10-5.

49 Zuordnung der Impulszeiten zu den Betriebsarten Wellenlänge in nm Zeit in s 180 bis bis bis bis 10 6 <10-9 Modengekoppelte Impulslaser (M) 10-9 bis 10-7 Riesenimpulslaser (R) 10-7 bis 0,005 Impulslaser (I) 0,005 bis 0,05 0,05 bis 0,1 0,1 bis 0,5 Dauerstrichlaser (D) >0,5

50 Kennzeichnung einer Schutzbrille M 515 L8 XYZ DIN Fe 1-te Stelle: Laserbetriebsart, hier Modenkopplung 2-te Stelle: Wellenlänge, hier 515 nm (eigentlich 514,5 nm, also Ar + -Laser) 3-te Stelle: Schutzstufe, hier Stufe 8 neue Norm, Transmission T = te Stelle: Kennzeichnung des Herstellers (eventuell) 5-te Stelle: Nationales Prüfzeichen 6-te Stelle: Zeichen für mechanische Festigkeit (eventuell)

51 Schutzstufen und Verwendung der Laserschutzfilter bzw. Laserschutzbrillen Schutz-s tufe Maximaler spektraler Transmis-sions grad bei den Laserwellen-lä ngen τ(λ) Maximale Energie- bzw. Leistungsdichte im Wellenlängenbereich 180 nm bis 315 nm Über 315 nm bis 1400 nm Über 1400 nm bis 1000 μm Für die Laserbetriebsart / Betriebsdauer in s D I, R M D I, R M D I, R M > bis <10-9 > bis <10-9 >0, bis 0,1 <10-9 E W/m 2 H J/m 2 E W/m 2 E W/m 2 H J/m 2 E W/m 2 E W/m 2 H J/m 2 E W/m 2 L , , L , , L L L L L L L L

52 Korbbrillen Bügelbrillen

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54 Beispiel für eine ungeeignete Brille Gute Laserschutzbrillen kosten Geld! MADE IN USA ist nicht a priori schlecht; wenn dieses aber die einzige Beschriftung ist, dann ist die Brille als Laserschutzbrille ungeeignet.

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