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Dimitri Batani Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano

PROGRAMMA CORSO DI FORMAZIONE OBBLIGATORIO ANNO 2004 Il rischio da laser: cosa è e come affrontarlo; analisi di un problema non così lontano da noi. Dimitri Batani Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano.

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Dimitri Batani Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano

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Presentation Transcript

  1. PROGRAMMA CORSO DI FORMAZIONE OBBLIGATORIO ANNO 2004 Il rischio da laser: cosa è e come affrontarlo; analisi di un problema non così lontano da noi Dimitri Batani Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano

  2. PROGRAMMA CORSO DI FORMAZIONE OBBLIGATORIO ANNO 2004 Il rischio da laser: cosa è e come affrontarlo; analisi di un problema non così lontano da noi Dimitri Batani Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano Caterina Giuliani Servizio prevenzione e protezione - Settore risorse umane - ufficio formazione

  3. Applicazioni dei Laser: Lettori di CD e DVD Fotocopiatrici Laser Lettori di codice a barre Show di luci / discoteche PointerMicrolavorazioni Taglio di materiali Industria elettronica (litografia) Chirurgia (bisturi laser) Chirurgia dell’Occhio Trattamenti estetici (epilazione, rimozione rughe e macchie della pelle, rimozione tatuaggi) Microscopia (es. confocale, a due fotoni, Raman, ...) Ablazione e deposizione di materiali Spettroscopia Sorgenti di radiazione secondaria (X, UV) Metrologia LIDAR (misure dell’atmosfera) Telecomunicazioni in fibra ottica RICERCA

  4. Piano del corso: cosa e' un laser rischi da laser classificazione dei laser misure di sicurezza un esempio normative

  5. Che cosa e’ un laser 1: Non e’ un corso di fisica, ma alcune cose e’ necessario saperle… Cioè: amplificazione della luce per emissione stimolata di radiazione

  6. Luce e onde elettromagnetiche: c = n l (velocità = frequenza X lunghezza d’onda) E = hn (energia fotone = costante Planck X frequenza)

  7. Che cosa e’ un laser 2: Luce normale BASSA DIREZIONALITA’ BASSA MONOCROMATICITA’ BASSA COERENZA BASSA POTENZA Luce laser ALTA DIREZIONALITA’ ALTA MONOCROMATICITA’ ALTA COERENZA ALTA POTENZA Due “ingredienti” - IL MECCANISMO DI EMISSIONE (Emissione Stimolata vs. Emissione Spontanea) - LA CAVITA’ OTTICA RISONANTE

  8. Interazione luce - materia: COME AVVENGONO L’ASSORBIMENTO E L’EMISSIONE DELLA LUCE DA PARTE DI UN ATOMO (O UNA MOLECOLA)? FOTONE PROTONE L’ATOMO DI IDROGENO: MODELLO DI BOHR ELETTRONE LA LUCE VIENE EMESSA E ASSORBITA IN “QUANTI” DEL CAMPO E.M. (FOTONI) CON ENERGIA CORRISPONDENTE AL SALTO ENERGETICO DEL SISTEMA h = E = E

  9. E2 E2 E1 E1 E2 E2 E1 E1 Due modi per emettere la luce: EMISSIONE SPONTANEA L’ATOMO IN UNO STATO ECCITATO E2 PASSA “SPONTANEAMENTE”, (CIOE’ SENZA NESSUNA SOLLECITAZIONE ESTERNA) IN UNO STATO MENO ECCITATO E1 EMISSIONE INCOERENTE EMISSIONE STIMOLATA L’ATOMO IMMERSO IN UN CAMPO E.M. DI FREQUENZA  UGUALE A QUELLA PROPRIA DELLA TRANSIZIONE (E2 – E1)/h, VIENE “INDOTTO” A COMPIERE LA TRANSIZIONE ENERGETICA (CIOE’ LA PRESENZA DI UN FOTONE“STIMOLA” L’EMISSIONE DI UN FOTONE ALLA STESSA ) EMISSIONE COERENTE DUE FOTONI INDISTINGUIBILI: STESSA FREQUENZA, DIREZIONE, FASE E POLARIZZAZIONE

  10. Principio di funzionamento laser: ASSORBIMENTO DELLA LUCE MENTRE PROPAGA IN UN MATERIALE EMISSIONE ED AMPLIFICAZIONE DELLA LUCE IN UN MEZZO DOVE E’ STATA PRODOTTA UN’INVERSIONE DI POPOLAZIONE (OVVERO CI SONO PIU’ ATOMI NELLO STATO ECCITATO E2 CHE NELLO STATO E1)

  11. EMISSIONE DI LUCE LASER SPECCHIO PARZIALMENTE RIFLETTENTE MEZZO ATTIVO SPECCHIO COMPLETAMENTE RIFLETTENTE SISTEMA DI POMPAGGIO (CHE SERVE A CREARE L’INVERSIONE DI POPOLAZIONE NEL MEZZO OTTICO) Il ruolo della cavità ottica: SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN LASER

  12. Piccola storia dei laser: 1917: EINSTEIN formula la teoria dell’emissione stimolata per spiegare la legge di corpo nero di Planck 1939: V.Fabrikant (URSS) prevede l’uso dell’emissione stimolata per amplificare onde “corte” 1950: messa a punto del pomappgio ottico (inversione di popolazione grazie all’energia luminosa) da parte di A.KASTLER e J.BROSSEL 1951: C.TOWNES (USA) N.BASOV, A.PROKHROV (URSS) teoria dell’emissione stimolata per l’amplificazione 1954: GORDON mette a punto il MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 1958: TOWNES e A.SCHAWLOW, e BASOV, indicano che il principio del MASER può essere applicato alla luce 1960: BASOV, O.KROKHIN e Yu.POPOV sviluppano la teoria del laser 1960: primo laser a rubino realizzato da T.MAIMAN negli USA 1961: primo laser a gas sviluppato da A.JAVAN, W.BENNET e D.HERRIOT (He-Ne). E’ il laser più usato nel mondo 1963: messa a punto del laser ad anidride carbonica da parte di C.PATEL 1963: Premio Nobel in Fisica per l’invenzione del laser a BASOV, TOWNES e PROKHROV 1969: funzionamento a temperatura ambiente dei laser a semiconduttori (diodi laser)

  13. Parametri dei laser: Lunghezza d’onda Frequenza di ripetizione Potenza Media Energia per impulso Durata impulso Potenza di Picco Intensità l f P E = P f t Po = E / t I = P / S Visibile, near IR, near UV CW, 100 MHz, kHz, Hz, single shot mW  W  kW pJ  mJ  J  kJ µs  ns  ps  fs MW  GW  TW mW/cm2 1018 W/cm2

  14. Tipi di Laser: Laser a gas:laser ad atomi neutri: elio neon He-Ne elio cadmio (He-Cd) cromo Cr laser ad ioni: argon Ar+ iodio laser molecolari: anidride carbonica CO2 azoto N2 eccimeri (KrF, XeCl,…) chimici (HF, DF,..) vapori metallici (Cu,..) Laser a stato solido: rubino vetro (drogato Nd, …) YAG e YLF drogati Nd, .. Laser a coloranti Laser a semi-conduttori (Laser ad elettroni liberi)

  15. Laser a Iodio PALS di Praga: l =1.3 µm t = 450 psec E = 1500 J

  16. Laser NIF e Megajoule: Fusione Termonucleare controllata Nd:vetro 2 MJ 10 ns 200 fasci

  17. Taglio Laser: MACCHINA LASER CO2 DA 2000 W PARTICOLARI TAGLIATI CON LA MACCHINA LASER

  18. Microscopio confocale a laser: Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze

  19. Evoluzione prestazioni laser:

  20. Che cos’è la coerenza (spaziale): In termini semplici possiamo pensare ad una sorta di “ordine” dei fotoni In pratica una coerenza elevata implica una elevata focalizzabilità del laser (macchia focale molto piccola, intensità elevata) I = P /S = E / t S

  21. L’occhio umano:

  22. Confronto tra il sole e un laser: SOLE: Intensità massima luce solare a terra = 1 kW/m2 or 1 mW/mm2 Assumendo un diametro pupillare di 2 mm l’area è circa 3 mm2 Quindi la potenza raccolta dall’occhio è = 3 mW Il sole forma un’immagine ≈ 100 µm di raggio sulla retina (area = 0.03 mm2) L’intensità sulla retina (Potenza/Area) = 3 mW/0.03 mm2 = 100 mW/mm2. Tipico laser He Ne da 1 mW (o laser pointer): Potenza (P) = 1 mW, raggio del fascio = 1 mm Forma un’immagine con raggio di 10 µm (area dello spot = 3 10-4 mm2) L’ intensità dell’HeNe sulla retina è 1 mW/(3 10-4 mm2) = 3100 mW/mm2 31 volte l’intensità del sole!!

  23. Meccanismi di danno 1:

  24. Meccanismi di danno 2: Effetto Fototermico: parte della radiazione incidente è assorbita dei tessuti. La temperatura aumenta ad un livello tale da provocare un danno. Bruciature della retina da laser CALORE Effetto Fotochimico: impulsi lunghi che non provocano un aumento di temperatura. Dipende dall’energia totale piuttosto che dalla potenza (come l’effetto fototermico)

  25. Meccanismi di danno 3: Effetto Fotoacustico (o da onda d’urto): Impulsi laser brevi e di alta energia. Una dose significativa di energia è assorbita in tempi brevi rispetto alla diffusione termica. Ablazione e rapida espansione del materiale, esplosione e onda d’urto, danno esteso alla retina. Effetti proporzionali all’energia dell’impulso. SHOCK

  26. Vista prima del danno: Visione telecamera Visione dell’occhio

  27. Effetti del danno: Visione telecamera Visione dell’occhio

  28. Trasparenza dell’occhio: Laser visibili e IR: Danni alla retina Laser UV: Danni alla cornea

  29. Curva di visibilità dell’occhio umano: lmax = 555 nm (verde) Attenzione ai laser ai limiti della curva che sembrano poco intensi!!

  30. Sicurezza nell’irraggiamento laser: LIMITI ESPOSIZIONE MASSIMA PERMESSA (EMP o MPE): Il livello di radiazione al quale, in circostanze normali, una persona può essere esposta senza subire alcun effetto LIMITE D’EMISSIONE ACCESSIBILE (LEA o AEL): Il livello di radiazione massimo permesso in particolari in circostanze DISTANZA E ZONA NOMINALE DI RISCHIO OCULARE (ZNR): zona all'interno della quale il livello della radiazione è superiore all'EMP applicabile; all'interno di questa zona si possono avere danni oculari.

  31. Classificazione dei laser: CLASSE 1: intrinsecamente sicuri: l’EMP non può essere MAI superata (potenza bassa o laser interamente CHIUSO in un contenitore con interlock). P< 0.4 µW nel visibile CLASSE 2: radiazione visibile con potenza < 1mW. Normalmente il riflesso di chiusura delle palpebre (0.25 s)è sufficiente per la protezione dell’oicchio CLASSE 3A: radiazione visibile CW con potenza < 5mW e intensità < 2.6 mW/cm2 (non più di 1 mW passi attraverso un’apertura di 7 mm di diametro). Pericolosi se visti tramite strumenti ottici. CLASSE 3B: radiazione visibile o invisibile, CW o impulsata. La visione diretta o tramite riflessione speculare e’ SEMPRE pericolosa ma in certe circostanze possono essere visti tramite riflessione diffusa CLASSE 4: laser di potenza. Danni da riflessioni diffuse. Danni alla pelle. Pericoli di incendio

  32. “Altri” rischi dei laser: 1* solo se il laser viene guardato volontariamente per più di 0.25 s

  33. Prevenzione: • DUE LIVELLI: • PREVENZIONE COLLETTIVA • PREVENZIONE INDIVIDUALE

  34. Prevenzione collettiva: • La parte normativa: • - i livelli coinvolti • - gli avvisi • - i controlli • i permessi di accesso • ecc • La parte medica: Con laser di classe 3 e 4, gli operatori laser devono essere sottosposti a visita (in particolare FONDO RETINA) da parte del medico del lavoro o del Medico Competente (soggetto dotato delle competenze ed incaricato dall'Università della sorveglianza • medica del personale esposto a rischi specifici): • All’assunzione • Almeno ogni 3 anni • - In caso di incidente (o di sintomi oculari) • La Formazione: Per TUTTO il personale che frequenta il laboratorio laser

  35. Sicurezza laser, livelli coinvolti: • Responsabile del Servizio di Prevenzione e Protezione: persona che è stata incaricata ai sensi dell'art. 4 del D.Lgs 626/94 • Medico Competente: soggetto dotato delle competenze ed incaricato dall'Università della sorveglianza medica del personale esposto a rischi specifici. • Direttore di Struttura: (Dipartimento, Istituto o Centro interuniversitario); verifica l'applicazione della normativa sulla sicurezza nell'ambito della propria Struttura. Il Direttore ed il Responsabile devono acquisire le indicazioni di sicurezza dal TSL, fornendogli tutte le informazioni necessarie, predispongono le misure di prevenzione e protezioni necessarie e curano l'osservanza delle norme. Al Direttore della Struttura spetta, di concerto con il Responsabile, il diritto/dovere di autorizzare l'accesso alle zone regolamentate e verificare il rispetto delle misure generali di prevenzione e protezione predisposte .

  36. Sicurezza laser, livelli coinvolti: Operatore laser: persona che ha ricevuto adeguata formazione sui i rischi laser e le procedure da adottare e che conosce i parametri di controllo operativi e di rischio del laser che utilizza. E’ autorizzato dal Direttore, su proposta del Responsabile, ed è sottoposto a visita medica ove previsto. Gli Operatori sono responsabili dell'utilizzo del laser in osservanza alle misure di sicurezza impartite dal Direttore e dal Responsabile, sentito il TSL. Responsabile di laboratorio: chi coordina le attività di ricerca o di didattica di un laboratorio; risponde direttamente dell'applicazione delle norme operative sulla sicurezza laser ed è tenuto a richiederne l'osservanza. Il Responsabile verifica preventivamente i pericoli, riduce al minimo indispensabile l'uso dei laser e il numero delle persone esposte, istruisce adeguatamente il personale e verifica l'osservanza delle norme nell'ambito del proprio laboratorio. Tecnico Sicurezza Laser: persona che possiede le conoscenze necessarie per valutare e controllare i rischi causati dai laser e ha la responsabilità di supervisione sul controllo di questi rischi. Il TSL è nominato dal Rettore. Il TSL valuta il rischio laser, prescrive le misure di sicurezza e gli appropriati controlli ed effettua dei sopralluoghi di verifica sulle condizioni di sicurezza, di concerto con il Responsabile del Servizio Prevenzione e Protezione. Nei laboratori con laser di classe 3 e 4, la consulenza specialistica del TSL per la verifica del rispetto della normativa e per l'indicazione delle misure di prevenzione è OBBLIGATORIA. .

  37. Prevenzione individuale: Occhiali di protezione laser

  38. Densità ottica: Trasparenza di un filtro (ad una datal) T = Iout / Iin = 10-D Cioè D = Log (Iout / Iin ) (numero puro) Per occhiali laser servirebbe: D = Log (EMP / Iin ) dove I e EMP sono espresse in W/m2 per laser continui ed in J/m2 per laser impulsati

  39. Prevenzione individuale: Esempio di etichettatura occhiali per laser

  40. Prevenzione individuale: Etichettatura degli occhiali di protezione (cfr. norma EN207) D per laser continui I per laser impulsati (µs) R per laser ad impulsi «giganti» in regime di «Q switch» (ns) M per laser ad impulsi brevi in regime di «mode locking» (ps, fs) La lunghezza d’onda (o le lunghezze d’onda) o il dominio spettrale per cui gli occhiali assicurano protezione Il valore della densità ottica (da 1 a 10) a quella lunghezza d’onda L’identificazione del produttore Il marchio di certificazione Riferimento norma EN 207 (o EN 208 per occhiali di allineamento)

  41. Prevenzione individuale: (densità ottica alla l indicata)

  42. Prevenzione individuale: • NORME PER L’USO DEGLI OCCHIALI •  Utilizzare esclusivamente occhiali: • - conformi alle norme EN 207 (uso) o EN 208 (allineamento) • - adatti al laser utilizzato • - in buono stato • Leggere le note d’uso fornite dal produttore • Non guardare mai volontariamente il fascio o una delle sue riflessioni, nemmeno con protezione oculare •  Pulire regolarmente gli occhiali •  Dopo l’uso rimetter gli occhiali nei loro contenitori •  Sistemare gli occhiali fuori dalla zona laser •  Eliminare gli occhiali difettosi o rovinati •  Prevedere degli occhiali supplementari per i visitatori

  43. Esempio: Laboratorio Laser di Potenza a Fisica (2° piano U2): Uso di laser di potenza: Nd:YAG 100 mJ, 10 Hz, 40 psec (classe 4) Due lunghezze d’onda (IR e verde) Usato per ricerca e per didattica (lab. 3° anno, tesi di laurea) Presenza di ricercatori stranieri

  44. Misure prese 1: • Lezione sulle norme di sicurezza • uso occhiali appositi per laser IR/visibili ad alta potenza • direzionato il fascio laser in modo che non sia diretto verso l'entrata • minimizzato gli ostacoli che si possono incontrare al buio • possibilità di accensione/spegnimento luci dall'interno del locale • "interlock" per spegnimento automatico del laser all'apertura accidentale o "non autorizzata" porta del laboratorio • sistemazione di una luce rossa indicante il funzionamento del laser all'esterno della porta del laboratorio (cioé nel corridoio) • sistemazione di un campanello all'esterno della porta per poter richiedere l'ingresso in caso di funzionamento del laser • cartellonistica in italiano ed in inglese • il laser ha misure di sicurezza intrinseche: chiave, arresto d’emergenz, interlock interni

  45. Misure prese 2: • due uscite (IR, verde). Quella non in uso viene chiusa • beam dump (anche dietro gli specchi!) • fascio laser mantenuto in un piano orizzontale NON all’altezza degli occhi • procedura di “conto alla rovescia” (per operazioni in singolo colpo) o comunque di avviso di tiro (per ripetizione) • niente sedie nel laboratorio • LA MISURA DI PREVENZIONE MIGLIORE SONO LA FORMAZIONE E IL LAVORARE IN CONDIZIONI SERENE. LAVORARE IN STATO DI FATICA O STRESS PORTA AD INCIDENTI… • GLI INCIDENTI VANNO RIPORTATI SUBITO!!!

  46. Esempio di avviso 1:

  47. Esempio di avviso 2:

  48. Esempio di avviso 3:

  49. Esempio di avviso 4:

  50. Lista controlli sulla sicurezza laser 1:

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