激光安全知識

 一、激光之電磁輻射危險性
二、相關的危險性及防范措施
三、激光危險(Laser hazard)的分級
四、基本安全觀念與措施
 
一、激光之電磁輻射危險性
以氦氖激光(Helium-neon laser)為例，放電及碰撞使其中的游離電子、氦原子與氖原子獲得能量，因而都成為電磁輻射的來源，其中一部份是可以放大的激光輻射，輸出后成為激光；其余則稱為附加輻射(Collateral radiation)。
1、激光的危險性
激光光的高強度，使它與生體組織產生極劇烈的光化學(Photochemical)、光熱(Photothermal)、光動力(Photodynamic)、光剝離(Photodisruption)、光波電磁場等交互作用，而造成嚴重的傷害。周圍的器材，尤其是可燃、可爆物，也會因而引起災害。高度同調性造成的干涉，使相長干涉(Constructive   interference) 處的光更強，因此會導致更高的危害。
a、對于眼睛的危險性
人眼的角膜(Cornea)與結膜(Conjunctiva)沒有受到如一般皮膚角質層的保護，最容易受到光束及其他環境因素的侵襲。激光光的強度很高，以致眼瞼的反射動作產生保護作用之前，就造成傷害了。
眼睛所受的傷害與波長有關：可見光(Visible light)與紅外線(Infrared)中的IR-A影響視網膜；紫外線(Ultraviolet)中的UV-B、UV-C及紅外線的IR- B、IR-C影響角膜)；可見光和短波紅外線(Near infrared；IR-A)會穿過清澈的眼中物質，而被視網膜吸收，所以若光束太強，就會傷害視網膜。激光光的高準直性(Collimation)，使光線能會聚于一個很小的點，在視網膜上約為10至20μm (比頭發還細)。因此，400nm到1400nm之間的激光，對視網膜具有特別高的危險性，這個波段稱為視網膜危險區(Retinal hazard region)。
由于熱流和震波(Shock wave)的影響，環繞成像區的組織也可能受損，而對視覺功能造成更嚴重的后果。因為視網膜神經組織的修復能力甚低，這種傷害一般而言都是永久性的。
視網膜危險區之外的電磁波，包括紫外線和長波紅外線(Far infrared)，則可能使眼睛的前方部分受傷。有些波段會傷害水晶體(Lens)，295nm至320nm以及1μm至2μm的輻射尤其嚴重。波段相當廣的紫外線，以及波長大于1400nm的紅外線，可能傷害角膜。只傷及角膜表皮時，一兩天內就能修復，而使視力完全恢復。如果角膜的較深層部位發生顯著傷害，會造成角膜瘢痕(Corneal scar)，而導致永久失明。
紅外線的組織穿透深度(Penetration depth)方面，1,440 nm(如某些半導體激光)、1,540 nm(如鉺-玻璃激光)、2,100 nm(如鈥-雅克激光)均大于10,600 nm(二氧化碳激光)，所以前三者造成永久性傷害的危險性比較高[1]。308 nm的氯化氙(XeCl)激光束，會使水晶體立即產生白內障(Cataract)，所以還具有額外的危險性。氬離子(Argon)、氪離子(Krypton)、KTP倍頻(Double frequency)、銅蒸汽(Copper vapor)、金蒸汽(Gold vapor)、氦氖(Heliun-Neon)、釹-雅克(Nd:YAG)等激光，對于視網膜都具有潛在危險性。鉺-雅克(Er:YAG)、鉺-氟化釔鋰(Er:YLF)、鈥-雅克(Ho:YAG)、氟化氫(HF)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)等激光，則對角膜有危險性
b、對于皮膚的危險性
皮膚受傷害的原因，可能是光化學反應(主要在紫外線波段)，或熱效應 (主要在紅外線區)。例如紅斑(曬斑) (Erythema)是表皮受傷所致，有時真皮也有某種程度的傷害，而這些傷害源于光化學引起的反應。如果了解其危險性，針對準分子(Excimer)的紫外線激光所需的保護皮膚措施，就容易規劃及執行。可見光與紅外線激光束的照射，可能造成一級、二級和三級灼傷。能引起嚴重熱灼傷的輻照度，也可能引燃紡織品，燒毀塑料制品傷害的嚴重程度，決定于照射時間的長度，以及激光光的透入深度。一般說來，若照射時間持續1秒鐘或更久，疼痛反應會引起閃避動作，使受照部位離開光束，因而曝照時間會只有1秒鐘或更短。如果照射時間很短，10.6μm的高功率激光束不會造成深部組織的灼傷，因為這個波長的穿透深度很淺(約為20μm)，事實上不會透過正常表皮角質層的厚度。二氧化碳激光對于表皮的傷害，是由于從角質層至更深處的熱傳導。但是，受到1064nm釹―雅克短脈波照射時，因為它能穿過數mm而進入組織內，所以剛超過灼傷閾值的曝照量，就足以造成深而嚴重的灼傷。鈥- 激光(2.1μm)、KTP倍頻激光(二倍頻的釹―雅克，532nm)或氬激光(488 及514.5nm)造成的灼傷深度，介于二氧化碳與釹―雅克之間聚焦后的手術激光光點，或光纖尖端密集的輻照度，是用來將組織汽化或剝離的，所以對于焦點附近的皮膚極具危險性。反射后的激光束可能引燃衣物，造成皮膚的傷害和悲劇性的后果。使皮膚受傷的實際閾值，通常是數個J/cm2之譜，而這個程度的曝照量，不至于發生在手術激光的焦點外。
2、附加輻射(Collateral radiation)的危險性
激光的激發裝置所產生未經放大的電磁輻射，會由激光裝置的激光光出口(孔徑)(Aperture)或機殼的縫隙逸出。由于其中可能有游離輻射，如紫外線或X 射線，所以可能引起傷害，尤其是長期曝照之后的危險性更高。注意機殼的緊密程度，避免長期靠近可能有附加輻射之處，可以大幅減少發生這類危險的機會。
二、相關的危險性及防范措施
相關的危險是激光或外圍對象，可能因不當操作或故障、損壞而引起的危險，也包括正常操作時因為相關物質發生變化，而造成的危險。本節列舉這類危險的細目，并說明防范之道。
1、高壓電擊
由于漏電或誤觸電路引起。若有良好接地，電線沒有破損，非維修人員不碰觸激光電路，則可避免這種危險。
2、電失火
因為電線短路、超載，或是電路旁之器材不耐高溫及撞擊電路部分所造成。注意檢查電線，適量分散插座及開關之負荷，適當安置周圍器材可以預防這種危險。
3、電路組件爆裂
激光中的電容器(Capacitor)、變壓器(Transformer)最有可能爆裂，并因而造成擊傷、失火、短路等。除了請維修人員定期檢查這些器件的狀況，并作必要之更新以外，避免過度使用，提防散熱不良，可防止這類危險。
4、其他對象爆裂
激發激光用的強閃光燈，充有主動介質(Active medium)的氣體管或離子體管(Plasma tube)可能因為不小心碰撞而爆裂。這些器件應該有堅固的護罩防止受撞擊，并應防止掉落。
5、低溫冷劑或壓縮氣體的危險性
激光或偵測器等所用的冷凝劑(Cryogenic coolant) 或壓縮氣體，可能因容器(如鋼瓶)不安全或放置不當，而造成危險。防止這種危險的方法是：使用通過安全檢查的容器，并依安全規定穩固地放置這些物品。
6、有毒氣體或粉塵
激光使組織因光照汽化及高溫分解產生可能有害的空飄污染物。高溫分解產物與烤肉的煙塵相似，含有毒性物質及亞硝基胺等已知可致癌的物質。光化學反應產物及準分子激光的鹵素氣體外溢等，都會造成類似的危險。
良好的面罩等護具，功能完善的局部抽氣排煙設備，是不可或缺的安全設施。煙氣排出之前，務必要妥善過濾。
7、其他有害物質
紅外線透鏡或偵測器中的碲(Te)、鎘(Cd)，染料激光用的溶劑與染料，有些對象( 如變壓器 )中的多氯聯苯(Polychlorinated biphenyl; PCB)，都是可能釋出的毒性物質。使用這些物質時，務必采取適當的預防措施，使這些物質意外釋出時得以迅速清除，以免發生污染。例如搭配局部抽氣裝置，在染料循環系統周圍安置一些容器，以接收溢出或噴出之染料及溶劑，都是必要而可行的。
三、激光危險(Laser hazard)的分級
激光的附加輻射之危險性和相關其他的危險性，大多可藉適當的裝置及措施加以防范。因此，激光的主要危險性在于其光束本身。根據激光光的危險程度加以分級(1至4級)，可以分別采取恰當的安全措施，簡化決定適當安全措施的程序，以免過與不及。關于激光之生物效應的基本認識，是了解激光危險性的知識基礎。一旦知道危險在哪里，安全措施就顯而易明了。
1、第一級 (Class 1) 激光
激光打印機和各型光驅中，激光及其光束完全封閉于護罩內部，這是第1 級激光系統的一部份。在維修、調整過程中，這種系統的激光及光束即暴露出來，它的級別應視其波長與功率等因素認定之。
輸出功率極低的激光，則是第1級激光中，與醫療應用較有關系的部分。它
的光束是可以安全地目視的，不會對眼睛、皮膚造成傷害。例如不超過0.39μW
的可見光激光；釹―雅克激光(Nd:YAG)基頻(fundamental；1064nm)光束功率不超過 0.6mW，二倍頻(second harmonic；double frequency；532nm)不超過0.39μW，四倍頻(fourth harmonic；quadruple frequency；266nm)不超過0.8nW(0.8 x 10-9W)，都屬于第一級。
2、第二級(Class 2)激光
第二級激光的光束久看有害，連續波可見光激光束功率高于第一級的上限，而低于1 mW時。這一級激光，也就是低危險激光。只有在故意反抗自然厭光反應(Aversion response)，持續凝視時，第二級激光才會造成眼部傷害。非可見光激光沒有列入第二 級者。
3、第三級(Class 3)激光
總功率高于1.0mW的瞄準光束(Aiming beam)或對光激光(Alignment laser)，具有第三級危險性。即使只在完成厭光反應之前的短暫期間內，有第三級激光光進入眼睛，就會有傷害。第三級又分為三(a)、三(b)兩個副級。
    第三(a)級激光是光束功率為1至5mW，強度不超過25W/m2的可見光激光。如果它的光束大部分都進入眼中，會引起中度的眼睛傷害。輻射率（注1）較低時，久看有害；輻射率較高時，眼睛受短期照射，即造成傷害；用儀器觀看亦立即造成傷害。非可見光激光也沒有屬于三(a)級激光者。
第三(b)級激光的光束直接照射眼睛與皮膚，立即造成傷害。它包含一些脈沖激光，以及輸出功率介于5mW 與500mW之間的連續波激光。
4、第四級(Class 4)激光
輸出功率高于0.5W(500mW)的連續波激光，屬于第四級。如果使用不當，以致眼睛和皮膚受到直接光束或散射光束照射時，都會傷害眼睛與皮膚，及導致火災。
5、注意事項
關于激光的級別，有三個特點值得加以強調：
a、能產生醫療作用的，大多屬第三(b)級和第四級。
b、脈沖激光只有第一, 三(b)和四級。
c、因為眼睛的聚光作用，須慎估造成傷害之照射劑量。
四、基本安全觀念與措施
了解激光危險性所在之后，當可就激光的安全使用，建立制造者與操作者、使用者、管理者分工配合的基本觀念及措施。
1、激光產品制造者的安全責任
制造者應提供周到的防護步驟及設施，使其產品具有基本的安全性。購買者驗收時，則須確認所購產品具備此等安全性。
a、認定激光級別
制造者須測定光束質量，據以認定其產品之危險等級。
b、提供適切標示及指引
制造者須根據光束狀況和級別，提供適切數據，包括在適當的位置( 如孔徑處 ) 附著適當標志；并提供操作與維修之安全指引及重要規格數據。
c、備妥基本安全設施(注2)
激光產品應有堅固的護罩(Protective housing)、安全連鎖(Safety interlock)、鑰匙開關(Key switch)、發射指示器(Emission indicator)、光束弱化器(Attenuator)、手動重開機裝置(Manual reset)等。
2、「激光安全措施」部分小節
過去40年里，人們對于與激光相關危險性的了解，大致與激光問世初期相同，只是在個別安全措施上逐步提出方便性較高的主張，也逐步提出執行上須注意的細節。未來的發展，應該是沿著這種軌跡前進，例如對各種護目鏡材料的安全限度認識更多之后，可以研制各波長分別適用的護目鏡，盡量減少對于其他波長光線的阻擋，而讓使用者能藉其他波長的非激光光線進行工作【目前的護目鏡阻擋的光波頻率范圍大多較寬，而非單獨過濾某波長，透入佩戴者眼中的光，呈現的是被阻擋的波段之互補色】。
此外，人們將會不斷辨識出受到激光光照射時可能產生有害物質的情況，而提出相關的警告及安全措施。強脈波之電磁場可能產生的游離效應，以及X射線激光等的可能問世，也會造成新的安全顧慮。激光安全研究人員勢必要研擬可行而有效的安全措施。從事與激光有關工作的人員，必須注意這些新發展。