Почему лазер наносит непоправимый вред глазам?

Лазерные технологии в наши дни становятся все более распространенными, и людям также рекомендуется носить лазерные защитные очки и лазерные защитные шлемы при работе с лазерами (особенно при работе с оборудованием для лазерной сварки). В противном случае глаза будут повреждены лазерами и не подлежат восстановлению. Тогда у людей возникнут вопросы: почему лазер наносит непоправимый вред глазам?

1. Что такое лазер? Каков принцип его генерации?

Лазер (LASER) — это аббревиатура от «Усиление света путем стимулированного излучения».

Принцип генерации

В его основе лежит структура энергетических уровней атомов. Атомы состоят из атомных ядер и внеядерных электронов. Электроны движутся по разным орбитам, и каждая орбита соответствует определенному энергетическому уровню. В нормальных условиях большинство электронов в атомах находятся на низких энергетических уровнях (основном состоянии). Когда энергия обеспечивается внешним миром (например, посредством тока, света и т. д.), некоторые электроны поглощают энергию и переходят на высокие энергетические уровни (возбужденные состояния).

Электроны в возбужденных состояниях нестабильны, они спонтанно переходят на низкие энергетические уровни и испускают фотоны. В обычных источниках света излучение этих фотонов носит случайный и неупорядоченный характер. В процессе генерации лазера часть фотонов отражается туда и обратно в оптическом резонансном резонаторе путем установки в резонатор отражателя. Когда эти фотоны встречаются с атомами в возбужденном состоянии, они стимулируют эти атомы испускать стимулированное излучение, заставляя атомы испускать фотоны с той же частотой, фазой и направлением поляризации, что и падающие фотоны. Эти фотоны постоянно отражаются и усиливаются в резонансной полости и, наконец, образуют лазерный луч высокой интенсивности и хорошей направленности.

2. Основные причины необратимого повреждения глаз лазером следующие:

а. Энергетические характеристики лазера

Высокая плотность энергии

Лазер обладает высокой когерентностью, направленностью и монохроматичностью, что позволяет ему фокусировать чрезвычайно высокую энергию на очень маленькой площади. Свет обычных источников света расходится во все стороны и энергия рассеивается. Лазерный луч можно сфокусировать в очень маленькой точке. Например, при визуализации сетчатки диаметр пятна может составлять от нескольких микрон до десятков микрон.

Если взять в качестве примера типичный лазер непрерывного действия, когда он сфокусирован на сетчатке, энергия (плотность энергии), полученная на единицу площади, будет намного превышать диапазон, который могут выдержать клетки сетчатки. Сетчатка подобна пленке фотоаппарата, на ней распределено множество светочувствительных клеток, таких как колбочки и палочки. Эти клетки будут мгновенно уничтожены под воздействием лазерного облучения высокой плотности энергии.

Поглощение и преобразование энергии

Характеристики поглощения внутриглазных тканей лазерами. Различные ткани глаза имеют разные характеристики поглощения лазеров с разными длинами волн. Например, сетчатка в основном поглощает лазеры видимого диапазона (400–780 нм) и ближнего инфракрасного диапазона (780–1400 нм). Когда лазеры этих длин волн попадают в глаз и поглощаются сетчаткой, энергия света быстро преобразуется в тепловую энергию.

Точно так же, как использование увеличительного стекла для фокусировки на солнце может воспламенить бумагу, энергия лазера сильно концентрируется на сетчатке и производит тепловой эффект. Этот термический эффект приведет к резкому повышению температуры ткани сетчатки, что приведет к денатурации белков и разрушению клеточной структуры. Более того, это термическое повреждение необратимо. Как только структура клеток сетчатки разрушается, их нормальные зрительные функции, такие как фоточувствительность и передача сигналов, не могут быть восстановлены, что приводит к необратимому повреждению зрения. Поэтому очень важно носить лазерные защитные очки.

Более того, лазеры с длиной волны в инфракрасном диапазоне (например, Nd:YAG-лазеры с длиной волны 1064 нм) могут поглощаться не только сетчаткой, но и хрусталиком. Когда хрусталик поглощает энергию лазера, он также производит тепловой эффект, вызывая помутнение хрусталика, то есть катаракту. Эта вызванная лазером катаракта также является необратимой травмой глаза, которая влияет на прозрачность и преломляющую силу хрусталика, что приводит к снижению зрения.

б. Структурные особенности глаза

Сам глаз представляет собой сложную оптическую систему, а роговица и хрусталик могут фокусировать внешний свет на сетчатке. Этот процесс фокусировки очень важен для нормального зрительного восприятия, но он также облегчает повреждение сетчатки лазерами.

Когда лазерный луч попадает в глаз, оптическая система глаза фокусирует лазер на сетчатке так же, как фокусирует обычный свет. Это эквивалентно активной фокусировке энергии лазера на сетчатке, очень чувствительной области. Даже относительно слабый лазер значительно увеличивает интенсивность воздействия на сетчатку после фокусировки глазом, тем самым увеличивая риск повреждения сетчатки.

Сетчатка — ключевая часть глаза, которая принимает световые сигналы и преобразует их в нервные импульсы. Сетчатка — тонкая ткань, а фоторецепторы в ней очень нежные и чувствительные к изменениям окружающей среды.

Он не обладает сильной способностью к регенерации, как кожа и другие ткани. Если клетки сетчатки повреждены лазером, человеческому организму трудно восстановить эти поврежденные клетки путем регенерации. Например, колбочки в основном отвечают за цветовое зрение и высокую остроту зрения. Их повреждение может привести к нарушению цветовосприятия и снижению зрения. А поскольку нервную ткань сетчатки трудно восстановить после повреждения, это повреждение часто является необратимым.

Таким образом, независимо от того, основано ли это на энергетических характеристиках лазера (высокая плотность энергии, поглощение и преобразование энергии) или на структурных характеристиках человеческого глаза (глаз представляет собой сложную оптическую систему), повреждение человеческого глаза, вызванное лазер является постоянным и не подлежит восстановлению. Поэтому при выполнении лазерных операций лазерные защитные очки необходимо носить, что также является требованием лазерной промышленности.