Laserschutz Tutorial Zürich, 09. Juni 2010

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1 UVEX academy Laserschutz Tutorial uvex academy Seite 1 Die Natur des Lichts Für den Menschen sichtbare EM Strahlung uvex academy Seite 2 1

2 Licht Alltägliche Lichtquellen: IR Laser: Spaltblende Linse 1 Prisma Linse 2 Schirm UV monochromatisch Lichtleistung mw MW gerichtete Abstrahlung, Laserstrahl emittieren breites Spektrum, weißes Licht Lichtleistung mw W kohärent: räumlich und zeitlich in Phase ungerichtete Abstrahlung nicht kohärent uvex academy Seite 3 Lampengepumpte Festkörperlaser Kristall- oder Glasstab mit Metall-Ionen dotiert, Nd:YAG = Neodym in Yttrium- Alu-Granat, λ= 1064 nm; Rubin = Cr-Ionen in Al 2 O 3 -Kristall, λ= 694 nm Optisches Pumpen mit Blitz- oder Bogenlampen 8 1 Nd:YAG-Kristall 2 Blitzlampen 3 Hohlspiegel 4 Spiegel 5 Auskoppelspiegel 6 Kühlwasser 7 Laserstrahl Nd:YAG Merkmale: Leistung: W kw Effizienz: 5 % mäßige Strahlqualität für LWL geeignet cw oder Q-Switch frequenzverdoppelt (SHG Nd:YAG): grün Andere Festkörper-Laser: Er:YAG: 2,94 µm Titan-Saphir: nm uvex academy Seite 4 2

3 Laser Optischer Resonator: Licht-Rückkopplung durch Spiegel Auskoppeln durch teildurchlässigen Spiegel legt Strahlachse und -form fest Spiegel (voll reflektierend) Pumpe: Energiequelle, Anregung des aktiven Mediums - Elektrisch: Strom, Gasentladung - Optisch: spezielle Lampen, Laser Spiegel (teildurchlässig) Laserstrahl Aktives Medium: Gas, Flüssigkeit, Festkörper, Halbleiter Lichtverstärkung durch stimulierte Emission legt Wellenlänge fest (Energieniveaus) Kühlung: Führt nicht in Laserstrahlung umgesetzte Pumpleistung ab Verhindert Aufheizung uvex academy Seite 5 Eigenschaften des Laserstrahls Science Fiction: Über unendliche Streckenlängen beliebig dünner Strahl Realität: Strahl weitet sich auf (Divergenz), beschrieben durch Öffnungswinkel Φ kollimierter Strahl (Rohstrahl) Öffnungswinkel Φ LASER Strahlachse Strahlradius: Abstand d/2 von der Strahlachse, an dem Lichtintensität auf 13,5 % (1/e²) des Maximalwertes abgefallen ist Herstellerangaben d(1/e²) 36,8 % (1/e) des Maximalwertes abgefallen ist DIN-Norm d63 uvex academy Seite 6 3

4 Eigenschaften des Laserstrahls Beispiel: HeNe-Laser Wellenlänge 632,8 nm Laserleistung 1 mw Strahldurchmesser d(1/e²) = 0,6 mm Strahldurchmesser d63 = 0,4 mm d63 d(1/e 2 ) Metrolux GmbH uvex academy Seite 7 Eigenschaften des Laserstrahls Dauerstrichlaser: cw = continuous wave, Dauerstrich Wellenlänge λin nm oder µm Laserleistung PL in W Bestrahlungsstärke (Intensität) E = Leistung / Fläche in W/m2 Leistung P P L Zeit t uvex academy Seite 8 4

5 Eigenschaften des Laserstrahls Pulslaser: typ. hohe Spitzenleistung P Pulsdauer t P (Halbwertsbreite) Repetitionsrate, Wiederholfrequenz f R = 1 / Pulsperiode T Pulsenergie Q P = P * t P in J mittlere Leistung P = Q P * f R Leistung P P P t P T Zeit t uvex academy Seite 9 Eigenschaften des Laserstrahls uvex academy Seite 10 5

6 Technisch relevante Laser Excimer-Laser z.b. 193, 248, 308 nm Farbstoff-Laser Argonionenlaser 488, 514 nm He-Ne-L. 632 nm Dioden-Laser Nd:YAG-Laser 1064 nm Er:YAG-L. 2,9 µm CO 2 -Laser 10,6 µm nm 10 4 frequenzvervierfachter Nd:YAG-Laser 266 nm frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser 355 nm frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser 532 nm Wellenlänge λ Ho:YAG-Laser 2,1 µm uvex academy Seite 11 Gefahrenvergleich Herdplatte Laserpointer Durchmesser: Fläche: Leistung: Leistung/Fläche: 20 cm = 0,2 m 0,031 m² 1 kw = 1000 W 0,032 MW/m² 20 µm = 0,00002 m 0, m² 1 mw = 0,001W 3,2 MW/m² uvex academy Seite 12 6

7 Lasertypen Festkörperlaser Anregung (Pumpen) über Blitzlampen oder Laserdioden Wassergekühlte Blitzlampen für höchste Pumpenergien Beispiele: - Nd:YAG (IR oder frequenzvervielfacht) - Rubin (694nm, MW) - Er:YAG (IR) Design eines industriellen Nd:YAG Lasers: Quelle: TRUMPF uvex academy Seite 13 fs - Laser Ultra kurz Puls-Laser Anregung (Pumpen) über Blitzlampen oder Laserdioden Wassergekühlte Blitzlampen für höchste Pumpenergien Beispiele: - TiSa (breitband IR oder Vis) - Puls Dauer: fs - Puls Energie: mj - Puls Spitzenleistung: TW - Wellenlänge: 680nm 1020nm - Pulsdauer: 30fs - Pulsenergie: 36mJ - Pulsspitzenleistung: 1,2TW uvex academy Seite 14 7

8 Diodenlaser Einzelemitter mw (b < 10 µm) mehrere Watt (10 µm < b < 200 µm) b Diodenlaserbarren P = W (typisch) Diodenlaserstack Quelle: SIEMENS P bis 2 kw P bis 6 kw bei Zusammenschaltung Quelle: Jenoptik Laserdiode uvex academy Seite 15 Laserklassen alte Klassen (bis ) Klasse 1 Augensicher Klasse 2 augensicher, wenn Lidschlussreflex funktioniert (t = 0,25 s) Klasse 3A Nicht in den Strahl blicken, auch nicht mit optischen Instrumenten Klasse 3B gefährlich bei direktem Blick in den Strahl Klasse 4 Bestrahlung von Auge und Haut durch direkte oder Streustrahlung vermeiden neue Klassen (seit ) Klasse 1 Augensicher Klasse 1M Augensicher ohne optische Instrumente Klasse 2 augensicher, wenn Lidschlussreflex funktioniert (t = 0,25 s) Klasse 2M Augensicher ohne optische Instrumente; Lidschlussreflex (t =0,25s) Klasse 3R GZS = 5 x Klasse 1 oder 5 x Klasse 2 Klasse 3B gefährlich bei direktem Blick in den Strahl Klasse 4 Bestrahlung von Auge und Haut durch direkte oder Streustrahlung vermeiden M = Magnification (engl.): vergrößernde optische Instrumente R = Relaxation (engl.): entspannte Gefahr uvex academy Seite 16 8

9 Laserklassen Laser- Klasse Neue Laserklassen (seit ) Risikobeurteilung Wellenlänge in nm GZS für sichtbare Strahlung in mw Bemerkung 1 augensicher alle wellenlängenabhängig entspricht der alten Klasse 1 1M augensicher ohne optische Instrumente 302, wellenlängenabhängig früher: nicht sichtbarer Teil der Klasse 3A und Geräte, die nicht in 3A waren, sondern wegen der Leistungsgrenze 5x Klasse 1 in Klasse 3B waren 2 augensicher durch Lidschlussreflex (0,25 s) entspricht der alten Klasse 2 2M augensicher ohne optische Instrumente; Lidschlussreflex (0,25 s) früher: sichtbarer Teil der Klasse 3A und Geräte, die nicht in 3A waren, sondern wegen der Leistungsgrenze 5x Klasse 2 in Klasse 3B waren 3R Überschreitung der MZB-Werte, limitiert auf den 5-fachen GZS-Wert der Klasse 1 bzw. Klasse 2; geringeres Risiko als bei 3B 302, Teilmenge der alten Klasse 3B 3B Gefährlich bei direktem Blick in den Strahl alle 500 alte Klasse 3B ohne die neue Klasse 3R 4 sehr gefährlich für Haut und Auge; diffuse Reflexion kann gefährlich sein alle > 500 entspricht der alten Klasse 4 Für einen Überblick enthält diese Tabelle nur Beispiele und soll nicht umfassend sein. uvex academy Seite 17 Wechselwirkung Laserstrahlung - Haut Einfluss der Wellenlänge UV-C UV-B UV-A VIS IR-A IR-B IR-C λ in nm Transmission der Hautschichten in % Stratum Corneum Epidermis Dermis Subcutis Erythem Beschleunigte Hautalterung Verstärkte Dunklung Pigmentierung der Pigmente Photosensitive Reaktionen Verbrennung uvex academy Seite 18 9

10 Bestrahlungsstärke einiger Lichtquellen auf der Netzhaut 10 6 Laser 1 W Absorbierte Strahlung an der Retina W/cm² Laser 1 mw Lichtbogen (Schweißen Wo-Faden (Glühlampe) Kerze Xe-Lampe 20 kw Sonne Glühlampe Retinaschädigung Tageslicht Tageslicht (innen) Fernseher Bildgröße auf der Retina mm uvex academy Seite 19 Abbildung von Lichtquellen auf der Netzhaut Vergleich Glühwendel - Laserstrahlung 100 W Pupillendurchmesser O / 7 mm Bestrahlungsstärke 610 W/m² 300 µw Bildgröße b = 800 µm 100 W 100 W 12 1,3 x 10 W/m b = 10 µm 2 1 m Verhältnis der Bestrahlungsstärken: E(Laser, 100 W) E(Glühbirne, 100 W) = 2,1 x 10 9 uvex academy Seite 20 10

11 Laser Gewebe Wechselwirkungen uvex academy Seite 21 Laser Gewebe Wechselwirkungen Wellenlängenabhängigkeit uvex academy Seite 22 11

12 Laser Gewebe Wechselwirkungen Beispiele von Augenverletzungen uvex academy Seite 23 Laser Gewebe Wechselwirkungen Beispiel Laserunfall uvex academy Seite 24 12

13 Laserunfall Auge Strahlquelle: Rubinlaser Strahlquelle: Rubinlaser (694nm) (694nm) Pulsenergie: Pulseneregie: Pulsenergie: Pulseneregie: mj mj Pulsdauer: Pulsdauer: 20ns 20ns Pulsleistung: Pulsleistung: 1MW1 1MW1 Entfernung: Entfernung: 25m 25m m m Sehstärke: Sehstärke: 5% 5 5% 5 % (nach (nach Unfall) Unfall) 5% 5 % (nach 3a) 5% 5 (nach 3a) persönliche persönliche Empfindung: Empfindung: schwarzer schwarzer Fleck Fleck abnehmende abnehmende Sehschärfe Sehschärfe uvex academy Seite 25 Laserunfall Auge Beispiel 3 uvex academy Seite 26 13

14 Thermische Wechselwirkungen Schädigung der Haut Laser Erwärmung > 45 C Membranauflockerung reversibel irreversibel > 60 C > 80 C > 100 C Proteindenaturierung, Koagulation Kollagendenaturierung, Membrandefekte Austrocknung Gewebetod f(t) Zonen im Gewebe > 150 C > 300 C Karbonisierung Verdampfung und Vergasung CO -Laser (fokussiert) 2 Quelle: John Powell uvex academy Seite 27 Äußere Einflüsse Hierunter versteht man: - Temperatur (der Umgebung oder auch des Bauteils) - Feuchtigkeit oder Nässe - externe Stöße / Vibrationen - Stäube in der Arbeitsumgebung - elektromagnetische Störungen - Unterbrechungen / Schwankungen in der Stromversorgung - Probleme durch Hard- oder Software der Steuerung uvex academy Seite 28 14

15 Inhärente Gefahren Hierunter versteht man: - mechanische Gefährdung (durch Quetschen) - Gefährdung durch Vibrationen - Gefährdung durch Wärme - Gefährdung durch Lärm - Gefährdung durch Sekundärstrahlung - elektrische Gefährdung - Brand-/Verpuffungs-/Explosionsgefahr - Gefährdungen, welche durch Werkstoffe und andere Substanzen erzeugt werden - Gefährdung durch Missachtung ergonomischer Prinzipien bei der Maschinenauslegung uvex academy Seite 29 Gefährdung durch Stoffe Gefährdung durch Stoffe, die in der Maschine selbst Verwendung finden: Laseraktive Gase (z.b. Excimerlaser-Gase) Arbeitsgase (z.b. Sauerstoff auf öligen Oberflächen Selbstentzündung) Linsenwerkstoffe (z.b. ZnSe-Linsen) Laserfarbstoffe Lösungsmittel, Öle etc. Verpuffung, Feuer Gefährdung, die sich aus der Wechselwirkung von Laserstrahl mit der Materie ergeben: Entstehung lungengängiger Emissionen (Rauche, Stäube, Aerosole, Gase etc.) uvex academy Seite 30 15

16 ZnSe-Linsen Thermische Zersetzung von ZnSe Indikatoren: Geruch nach Knoblauch Emission von weißlichem oder rötlichem Staub Es entsteht: Selenwasserstoff, Selendioxid, elementares Selen ACHTUNG: hochgiftig!! Schutzmaßnahmen: - Luft anhalten - Maschine/Anlage über Not-Aus abschalten - Fenster (falls vorhanden) öffnen - Anlagenbereich verlassen, Gefahrenbereich kennzeichnen und absperren - Laserschutzbeauftragten informieren - mind. 30 min warten, bis sich Stäube gelegt haben und Gas abgezogen ist - bei Wiederanäherung an die Anlage auf Geruchsbildung achten - alle Linsenbruchstücke entfernen und Luftdicht als Sondermüll verpacken - Niederschläge mit feuchten Einwegtüchern aufnehmen Sondermüll - bei den Reinigungsarbeiten Einwegschutzhandschuhe, Einwegschutzanzug und dicht anliegende Feinstaubmaske tragen (Vorsicht bei Bartträgern!) uvex academy Seite 31 Teilchengrößenverteilung beim Trennen relative Häufigkeit [%] PMMA oberhalb Tisch X5 Cr Ni 18 9 unterhalb Tisch ,03 0,06 0,13 0,25 0, aerodynamischer Durchmesser [µm] uvex academy Seite 32 16

17 Das T.O.P Prinzip T Technische Schutzvorkehrungen, sichere Arbeitsmittel O Organisation von sicheren Bedingungen am Arbeitsplatz, Vermeidung von Überforderungen P Persönliche Schutzvorkehrungen was jeder zum eigenen Wohlergehen beachten sollte uvex academy Seite 33 Verantwortlichkeit Wer ist für die technischen Schutzmaßnahmen verantwortlich? Anlagenhersteller? Laserschutzbeauftragter?! DIN EN (VDE 0837 Teil 1) und DIN EN 12626: Der letzte, der etwas an einer Laserbearbeitungsmaschine verändert, ist der Hersteller der Gesamtanlage - mit allen rechtlichen Konsequenzen! uvex academy Seite 34 17

18 Beschilderung von Lasereinrichtungen Laserstrahlung / nicht in den Strahl blicken ab Laser Klasse 2 (unsichtbare) Laserstrahlung / nicht in den Strahl blicken auch nicht mit optischen Instrumenten Laser Klasse 2M (unsichtbare) Laserstrahlung / nicht dem Strahl aussetzen Laser Klasse 3B NACH EN : (unsichtbare) Laserstrahlung / Bestrahlung von Auge oder Haut durch direkte oder Streustrahlung vermeiden Laser Klasse 4 Angabe von VIS: P und λ 0 IR+UV: zusätzlich P,,,t und F P NACH EN : Statt Warnhinweis genügt bei Klasse 1 und 1M auch Eintrag in die Bedienungsanleitung uvex academy Seite 35 Organisatorische Maßnahmen Kennzeichnung Emissionsanzeige Schutzbrillenkasten Notfallplan uvex academy Seite 36 18

19 Persönliche Schutzmaßnahmen Justierschutz (EN 208) Vollschutz (EN 207) Hinter der Brille Laserklasse 2 Hinter der Brille Laserklasse 1 Vor der Brille Laserklasse 3 oder 4 Vor der Brille Laserklasse 3 oder 4 Nie direkt in den Strahl blicken!!! Laserschutz ist nur für den zufälligen Treffer gedacht! Beständigkeit der Filterwirkung 10s! uvex academy Seite 37 Optische Dichte (OD) - Spektraler Transmissionsgrad λ Optische Dichte: D = - log τ (Einheit: 1) Transmission: τ = P e /P a =Q e /Q a (Einheit: 1 oder %) In der Optik ist die Extinktion oder optische Dichte ein Maß für die Abschwächung einer Strahlung (zum Beispiel Licht) in einem Medium OD1 OD2 P e Q e τ = 10 % τ = 1 % P a Q a uvex academy Seite 38 19

20 Laserschutzbrillen nach DIN EN 207 uvex academy Seite 39 Kostenlose Software Software zur Berechnung der Schutzstufen Freeware: Eyepro Download unter: uvex academy Seite 40 20

21 Kennzeichnung von Laserschutzbrillen Bei der Berechnung der Leistungsdichte E oder Energiedichte H ist der tatsächliche Strahldurchmesser (kleinster Kreis, der 63 % der Laserleistung bzw. -energie enthält) zu verwenden. Bei divergenter Laserstrahlung (z.b. von LWL-Enden oder Diodenlasern) kann der Strahldurchmesser in 10 cm Abstand vom Divergenzpunkt den Berechnungen zugrunde gelegt werden. P für Dauerstrich- und E = H = A modengekoppelte Laser Q A für gepulste Laser Beispiel für die Kennzeichnung von Laserschutzbrillen: D L6 LV DIN S Prüfbedingung Schutzstufe Festigkeit Wellenlänge, bei der Hersteller Brille Schutz bietet Prüfzeichen uvex academy Seite 41 Bereich Laserschutz - EG Richtlinie 89/686/EWG Richtlinie hinsichtlich grundlegender Anforderungen an PSA - DIN EN Sicherheit von Lasereinrichtungen ( Klassifizierung von Anlagen, Anforderungen und Benutzer-Richtlinien ) - DIN EN 207 Filter und Augenschutzgeräte gegen Laserstrahlung ( Laserschutzbrillen) - DIN EN 208 Augenschutzgeräte für Justierarbeiten an Lasern und Laseraufbauten (Laserjustierbrille) - BGV B2 ( VBG 93) Unfallverhütungsvorschrift Laserstrahlung - BGI 832 Informationsschrift Betrieb von Lasern uvex academy Seite 42 21

22 Stellung Laserschutzbeauftragter Anforderungen! sachkundig (Empfehlung eines Kursbesuchs)! schriftliche Bestellung (ansonsten muss der Unternehmer sachkundig sein)! notwendig bei Betrieb der Laser Klasse 3R, 3B, 4 (3B alt und 4) Aufgaben! Überwachung/Kontrolle des Laserbetriebs! Unterstützung, Beratung und Information des Unternehmers! Übernahme der Organisatorischen Schutzmaßnahmen! Anmeldung der Laser bei BG und Behörde für Arbeitsschutz 3R, 3B, 4 (3B alt und 4) uvex academy Seite 43 Rechtliche Konsequenzen Strafrecht: Der Staatsanwalt ermittelt (fahrlässige Körperverletzung / Tötung) Ordnungswiedrigkeitsrecht (z.b. Verstöße gegen UVV) Zivilrecht (Entschädigungsansprüche d. Verletzten) Arbeitsrecht (Ermahnung, Abmahnung, Kündigung) uvex academy Seite 44 22