PARTE A: Fuentes de luz y sus parámetros

Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones Ópticas – Curso 2006/207
Aspectos de seguridad de fuentes de luz
PARTE A: Fuentes de luz y sus parámetros
Una fuente de luz, que es un dispositivo imprescindible en un sistema de comunicaciones ópticas, puede
ser peligrosa y provocar daños, desde una pequeña quemadura en la piel hasta la pérdida total e
irreversible de la visión. Sin embargo, no es obvio ni mucho menos determinar cuánto de peligrosa es una
fuente para tomar las medidas preventivas necesarias (C).
Para evaluar el riesgo adecuadamente, deben conocerse múltiples parámetros de la fuente de luz (o de
un dispositivo o sistema que la contenga). Los cuatro más importantes son la intensidad, la longitud de
onda, la directividad y la duración de la emisión.
Intensidad
Debe entenderse este parámetro de forma genérica, como la “cantidad” de luz que emite la fuente. Hay
diversas unidades que pueden utilizarse, todas ellas relacionadas de alguna forma directa e indirecta con
cuanta energía emite la fuente. Las unidades más importantes son:
•
Potencia óptica (“P”), medida en Watios. Es la forma habitual de medir la cantidad de luz de un
transmisor de comunicaciones ópticas.
•
Energía (“E”), que se mide en Julios que equivalen a su vez a Watios·segundo. Esta unidad es más
interesante que la anterior (a efectos de seguridad) porque incluye el factor tiempo.
•
•
Intensidad (“I”), que se mide en W/m2. Lo interesante de esta unidad es que incluye el área que
ocupa el haz, siendo claro que es un factor a tener en cuenta: cuanto más concentrada esté la luz, el
daño será mayor en la zona expuesta.
Nivel de exposición (“H”). Se mide en J/m2 ó W·s/m2. Esta es la unidad fundamental a efectos de
seguridad de luz, porque incluye la potencia emitida (“cuánta luz”), cuánto tiempo dura la emisión, y
sobre qué área se distribuye. Se considera que el posible daño es directamente proporcional al
nivel de exposición.
Longitud de onda
Se ha comprobado que la interacción luz-materia es fuertemente dependiente de la longitud de onda.
Esto se debe a que la luz sólo puede ser absorbida (y por tanto, causar daño) si la energía de cada fotón (y
por tanto su longitud de onda) coincide exactamente con la energía de los enlaces que forman la materia.
A pesar de la complicada relación daño – longitud de onda, se ha dividido el espectro luminoso en varias
zonas espectrales, con diferentes niveles de peligrosidad. Las diferencias de peligrosidad diferentes
lambdas sólo pueden entenderse conociendo los efectos que se producen sobre el organismo (B) En la
siguiente figura se muestran estas zonas, denominadas visible, infrarrojo cercano, medio y lejano (IR-A, IRB, IR-C) y ultravioleta cercano, medio y lejano (UV-A, UV-B y UV-C).
Las lambdas visibles van desde 400 hasta 700nm. El ultravioleta (UV) es por debajo de 400nm. El infrarrojo
por encima de 700nm. Las longitudes de onda propias de los sistemas de fibra óptica son 850, 1320 y
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1550nm, por lo tanto todas en el infrarrojo. Es muy importante destacar que el infrarrojo cercano (IR-A), una
de las zonas espectrales más peligrosas, llega hasta 1400nm, y por lo tanto la 2ª y 3ª ventana de la fibra
óptica presentan diferencias importantes a efectos de seguridad. Esto se debe al comportamiento del
ojo (B). También ocurre que ante la exposición a una luz intensa visible que podría ser peligrosa, el ojo y
el cerebro reaccionan para evitar la exposición dañina.
Directividad
Este parámetro se refiere a la característica espacial de emisión. Se distinguen a efectos de seguridad
tres tipos de fuentes en función de su directividad:
Fuentes difusas: Generan luz en una gran área y emiten rayos
(fotones) en múltiples direcciones. El resultado es que, si se intenta
focalizar la luz mediante una lente sobre una pantalla, se obtendrá
una mancha difusa (de ahí su nombre) y será imposible hace esta
mancha tan pequeña como se quiera. Además, a medida que
alejemos la lente de la fuente, la luz recogida y focalizada será
menor. Un ejemplo representativo es una bombilla de filamento, o un
tubo fluorescente.
Fuentes puntuales: Son muy pequeñas, pero emiten luz en
múltiples direcciones. Si se intenta focalizar su luz sobre una
pantalla mediante una lente, se obtendrá una mancha de iluminación
relativamente pequeña. Pero como en el caso anterior, a medida
que la lente se aleje de la fuente, la luz recogida y focalizada será
menor. Un ejemplo es un diodo LED de iluminación, y
especialmente, los láseres semiconductores usados en
comunicaciones ópticas, que presentan un diagrama de radiación
elíptico con cierta divergencia.
Fuentes colimadas: Emiten rayos de luz paralelos en una única
dirección. Su principal consecuencia es que la lente será capaz de
focalizar el haz sobre un punto muy pequeño, además de que la luz
recogida por la lente no disminuye al alejarse de la fuente, a
diferencia de los casos anteriores. Esto es un problema porque la
Distancia Nominal de Riesgo Ocular puede ser muy grande(C). El
único ejemplo de fuente colimada es el láser de volumen, utilizado
en procesos industriales, y laboratorios de investigación y docentes.
El interés por destacar el efecto de cada fuente sobre la capacidad de focalización de una lente es muy
sencillo: al focalizar un haz, se disminuye su área, y por tanto, AUMENTA su nivel de exposición y
daño producido. La lente es en realidad el ojo focalizando la luz sobre la retina, que por esta razón es el
tejido más típicamente afectado en los accidentes con fuentes de luz. El ojo humano tiene una capacidad de
focalización muy grande (B). Por lo tanto, las fuentes colimadas y puntuales son las más peligrosas, al
producir manchas de iluminación más pequeñas. Las colimadas en particular, presentan la característica de
que la cantidad de luz recogida por la lente (el ojo) no disminuye con la distancia.
Duración de la emisión
Está claro que el tiempo que dure una exposición influye sobre el daño producido. En este sentido, se
consideran de igual peligrosidad las fuentes que emiten en régimen continuo (potencia óptica constante)
que aquellas moduladas, típicas de las comunicaciones ópticas, Las fuentes denominadas pulsadas, se
refiere a un tipo particular de fuente láser que almacena energía durante un tiempo para luego emitirla en
pulsos de luz extremadamente intensos y cortos, pero que no se usan en comunicaciones ópticas.
Debe recalcarse la necesidad de conocer todos los parámetros relevantes de una fuente de luz para estimar
su peligrosidad. No debe pensarse que porque su intensidad sea pequeña, o no sea colimada, o sea
invisible, no es peligrosa.
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PARTE B: Efectos de la luz sobre el organismo
Para entender por qué la luz puede ocasionarnos daño, es necesario conocer cómo interactúa la luz con la
materia viva, cómo es la estructura de los tejidos y órganos del cuerpo más afectados, y qué efectos puede
producir en ellos. Lo más importante es, a partir de este conocimiento, determinar las medidas
preventivas que eviten accidentes (C).
La luz que incide sobre el organismo (en general, sobre un material), va a sufrir una serie de fenómenos que
deben tenerse en cuenta a fin de evaluar su peligrosidad, básicamente, la luz puede ser reflejada, puede
sufrir dispersión espacial (scattering), o puede ser absorbida. Puede parecer raro que los tejidos reflejen la
luz, pero lo cierto es que hay cambios bruscos de índices de refracción que producen reflexión de Fresnel.
El scattering es propio de los medios no homogéneos (todos los tejidos lo son, están formados por células),
pero es únicamente la luz absorbida la que puede actuar produciendo un daño, si bien el efecto
producido puede ser muy variado.
Efectos sobre la materia viva
Se distinguen tres tipos de efectos: térmico, foto-acústico y foto-químico. El efecto térmico es inevitable y
se origina por la simple transmisión de energía de la luz al medio, en forma de calor, y que provoca un
aumento local de la temperatura. Esta elevación de temperatura dependerá fundamentalmente de la
absorción del tejido a la longitud de onda de la luz, y de la cantidad de luz (nivel de exposición).
El efecto térmico en los tejidos tiene diferentes consecuencias en función del aumento de temperatura:
primero cambios (que pueden ser inocuos) en el metabolismo por la diferente velocidad de las reacciones
químicas, a continuación se produce la desnaturalización de las proteínas; con un incremento mayor puede
llegarse a la vaporización del agua, y finalmente, a la carbonización del tejido.
El efecto foto-acústico se produce únicamente por la incidencia en el tejido de luz procedente de fuentes
de luz pulsadas, caracterizadas por pulsos de extraordinaria intensidad y corta duración (A). En estas
circunstancias, se puede producir una onda de presión (acústica, de ahí el nombre) que rompe literalmente
los tejidos. Un láser pulsado que incida sobre la retina, por ejemplo, produciría con mucha probabilidad un
desgarro de la misma, el conocido desprendimiento de retina.
Pero para producir un daño apreciable no son necesarias las elevadas intensidades luminosas asociadas al
efecto térmico o el foto-acústico. Un fotón, considerado individualmente, tiene la capacidad de romper un
enlace químico si su energía (h·ν) coincide exactamente con la energía del enlace (es la condición
necesaria para la absorción). Si esto ocurre, los átomos que forman las moléculas se disgregan,
produciéndose un cambio químico que puede tener consecuencias dañinas. Es el efecto foto-químico.
Analizando las energías de enlace típicas en los tejidos vivos (fundamentalmente entre átomos de Carbono,
Oxígenos, Hidrógeno y Nitrógeno), se comprueba que coincide con longitudes de ondas de 100 a 400nm,
es decir, la zona ultravioleta (UV) del espectro. Por este motivo, son las radiaciones ultravioletas las que
se asocian con el efecto foto-químico, que se produce incluso con intensidades bajas.
Debido a que cada fotón de estas longitudes de onda bajas que es absorbido produce un cambio químico
irreversible, este fenómeno se considera acumulativo ó crónico, es decir, que el daño producido se
incrementa si se repite la exposición. Un ejemplo por todos conocido es el envejecimiento prematuro de la
piel (o incluso el cáncer de piel, melanoma), al que puede llegarse tras repetidas exposiciones a la radiación
solar. Afortunadamente, en los sistemas de comunicaciones ópticas no se utilizan fuentes UV (A).
La piel y el ojo, órganos más afectados por la luz
Si se observan las estadísticas sobre accidentes con fuentes de luz tipo láser, se comprueba que la mayoría
de ellos derivaron en una lesión en la piel (12%) y especialmente, en el ojo (70%).
La piel, por cuanto recubre casi todo el cuerpo humano y tiene una gran probabilidad de recibir la
radiación potencialmente dañina. En cuanto al ojo, porque incluye dos lentes, la córnea y el cristalino, que
focalizan la luz sobre la retina. Su poder de focalización es de 100.000, lo que significa que el área que
ocupa el haz de luz a la entrada del ojo se reduce en ese mismo factor cuando alcanza la retina. Por lo
tanto, el nivel de exposición (A), y el daño, aumentan en la misma proporción.
En esquema muy simplificado del ojo puede verse en la siguiente figura:
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La luz que lo alcanza va atravesando diferentes tejidos progresivamente hasta llegar a la retina: la córnea,
que tiene un gran poder de refracción y realiza una primera focalización (fija) del haz, el humor acuoso
(fundamentalmente agua), luego atraviesa el iris a través de la pupila, es focalizada de nuevo por el
cristalino, y tras atravesar el humor vítreo (una sustancia gelatinosa transparente), alcanza la retina. Ésta
contiene las terminaciones nerviosas (conos y bastones) responsables de la visión.
Un resumen de las principales características del ojo a efectos de evaluar la peligrosidad de las fuentes de
luz, podría ser el siguiente:
•
La luz que es focalizada sobre la retina es la más peligrosa, debido a que está focalizada con
una importante reducción de área. A ella sólo llegan las longitudes de onda visibles y el infrarrojo
cercano, es decir, entre 400 y 1400nm. Éste es por tanto un rango espectral de gran peligrosidad, en
el que están la 1ª y la 2ª ventana de las comunicaciones por fibra óptica.
•
El resto de longitudes de onda han sido absorbidas por los elementos anteriores del ojo (córnea y
cristalino), pero el riesgo es menor debido a la ausencia de focalización. Las radiaciones ultravioleta
(UV) e infrarroja lejana pueden dañar la córnea (que se recupera fácilmente) y el cristalino (que se
daña permanentemente, son las cataratas).
•
El iris es el músculo que da el color al ojo y se cierra o abre para acomodarse a diferentes
condiciones de iluminación, dejando un paso para la luz (la pupila) de diferentes diámetros. El
tamaño máximo de la pupila (en oscuridad) es de 7mm de diámetro. Precisamente, en los cálculos
de seguridad que evalúan los riesgos y las medidas preventivas (C), se supone que el ojo es una
lente focalizadora con aumento x100.000 y diámetro de 7mm. Una característica del iris es que
se cierra parcialmente en sólo 20mseg. cuando se recibe una radiación intensa, pero esta orden
proviene del cerebro, por lo que sólo la luz visible produce este reflejo protector.
•
La retina es un tejido muy fino y delicado, por lo que un láser pulsado producirá con gran
probabilidad un desprendimiento de la misma por efecto foto-acústico. La luz de entre 400nm
(violeta) y 1400nm (infrarroja) es la más peligrosa para la retina, incluso con fuentes tan débiles
como 1mW (C), un valor de potencia muy típico en los sistemas.
•
Existe otro mecanismo de protección: si el cerebro detecta una fuente de luz muy intensa (que el ojo
ha visto, y por tanto es luz visible), intentaremos mover la cabeza y cerrar los párpados: es el
“reflejo parpebral”. Se ha calculado que podemos apartar la vista en unos 200mseg, limitando el
nivel de exposición sufrido (A). Esto hace que las fuentes de luz visibles puedan ser menos
peligrosas que las invisibles, aunque este reflejo en realidad puede ser eliminado a voluntad.
En lo que respecta a la piel, una visión simplificada la divide en tres capas, de afuera a adentro: epidermis,
dermis y capa subcutánea. Para dañar la piel por efecto térmico, la intensidad luminosa debe ser muy
elevada porque no hay focalización como en el ojo. Pero no debe descartarse esta posibilidad, que se
presenta con fuentes láser colimadas de potencias del orden de 1Watio o superior (raras en los sistemas).
Sin embargo, se sabe que la radiación ultravioleta (especialmente UV-B) produce envejecimiento de la piel y
cáncer (melanoma). Otras zonas espectrales, como la UV-A, son menos dañinas porque se absorben por la
melanina, la sustancia que produce el bronceado y que precisamente se encarga de protegernos de la luz.
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PARTE C: Normativa de seguridad y medidas preventivas
Desde la invención del láser se ha visto la necesidad de armonizar todos los conocimientos sobre fuentes
de luz peligrosas y sus efectos sobre el organismo, de forma que se plasmasen en una normativa
(preferiblemente de aplicación internacional) que defina unos criterios comunes, y sobre todo, medidas de
prevención para evitar accidentes.
En Europa (y España) es de aplicación la norma EN-60825, en realidad un conjunto de normas que
recogen diferentes productos, aplicaciones y aspectos de seguridad. Las más importantes son:
•
EN 60825-1 “Seguridad de los productos láser, parte 1: clasificación del equipo, requisitos y guía de
seguridad”. Recoge los conceptos y contenidos fundamentales, fue publicada inicialmente en 1996, y
ha sufrido una revisión importante en el año 2002.
•
EN 60825-2 “Seguridad de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica” (año 1999). Contiene
consideraciones de seguridad específicas de los sistemas de fibra óptica, que no están
adecuadamente contemplados en la normativa. Fue revisada en el año 2005.
Los objetivos que cumplen estas normas son fundamentalmente proteger a equipos y personas mediante:
1. Una definición consensuada de niveles de exposición seguros, es decir, valores de nivel de
exposición (A) que se consideran no dañinos, de forma diferenciada para la piel y para el ojo.
2. Una clasificación estándar de los productos con fuentes de luz, en función de su peligrosidad,
sencilla, de forma que un usuario, incluso sin conocimientos de ningún tipo, sea capaz de valorar la
peligrosidad del producto antes de utilizarlo.
3. Unas medidas preventivas para cada clase, tanto para el fabricante como para los usuarios.
Niveles de exposición seguros
La normativa define el concepto de Exposición Máxima Permisible (EMP) como “Nivel de radiación al que
las personas pueden ser expuestas en circunstancias normales, sin sufrir efectos biológicos adversos”. Los
niveles de EMP representan el nivel máximo al cual el ojo o la piel pueden resultar expuestos sin sufrir los
daños derivados de la exposición ni inmediatamente ni después de un período largo de tiempo. Estos
valores dependen de la longitud de onda de la luz, cuanto duró la exposición, la iluminación ambiente (que
afecta al diámetro de la pupila B), y otras circunstancias. Si en un lugar concreto donde hay una fuente de
luz se supera en algún punto el EMP, entonces existirá riesgo y deberán tomarse las medidas de
prevención y protección necesarias.
Relacionados con el EMP surgen entonces dos conceptos fundamentales: La Zona Nominal de Riesgo
Ocular (ZNRO), es aquel volumen alrededor de la fuente en el que se supera el EMP, y por tanto hay
riesgo. Fuera de esta zona, no es necesario tomar ninguna precaución. Y por otro lado, la Distancia
Nominal de Riesgo Ocular (DNRO), es la distancia máxima a la fuente de luz a la que se supera el valor
de EMP. Este parámetro es particularmente interesante: si la fuente es colimada (rayos paralelos que no
divergen), la DNRO (y por tanto la zona peligrosa) puede ser muy grande porque el área del haz no
aumenta con la distancia. Si la fuente es divergente (por ejemplo, la salida de una fibra óptica), el área del
haz aumenta con la distancia y llega un momento en el que se baja de la EMP, y el riesgo desaparece. Para
la salida de una fibra óptica, la DNRO puede ser tan corta como unos centímetros, típicamente habría que
llevar la fibra cerca del ojo para sufrir un daño.
Clasificación de productos con fuentes de luz
Debido a la dificultad para un usuario de evaluar la peligrosidad de una fuente de luz, la normativa aporta
una clasificación sencilla de productos que incluyen fuentes de luz, en función de su peligrosidad. La
clasificación la hace el fabricante y debe indicarla mediante etiquetas.
Los fundamentos de las diferentes clases son muy sencillos: se distinguen productos no peligrosos (clase
1), aquellos peligrosos para el ojo (clase 3), y los peligrosos incluso para la piel (clase 4). Se ha
contemplado la particularidad de productos que emiten luz visible, ya que existen diversos mecanismos de
protección (como el reflejo parpebral o el cierre de la pupila B) que limitan la exposición previsible a un
tiempo muy corto. Esta peculiaridad se ha reflejado en la clase 2: productos no peligrosos porque emiten
luz visible y el tiempo de exposición es siempre reducido.
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Sin embargo, se ha comprobado con los años que la definición de la clase 3 es muy amplia, y abarca desde
productos de bajo riesgo (punteros láser) hasta láseres de laboratorio de muy alta potencia, que
prácticamente garantizan la pérdida total de visión tras una breve exposición. Además, si se está trabajando
con elementos ópticos (lupas, prismáticos, teodolitos, …) el riesgo es mayor, por su poder de focalización
(A). Para solucionarlo, se han definido sub-clases (1M, 2M, 3A, 3B, 3R…) que contemplan estas
circunstancias.
CLASE 1
Son productos no peligrosos en condiciones normales de operación, normalmente debido a que la
potencia óptica emitida es muy reducida (típicamente, menor de 1mW). La coletilla de “en condiciones
normales de operación” es muy importante: si un producto de clase 1 se utiliza en condiciones no previstas
(por ejemplo, se desarma para repararlo o se le modifican sus parámetros de funcionamiento), podría
convertirse en un producto peligroso.
CLASE 2
Son productos que en principio sería peligrosos si se analizan sus parámetros de potencia óptica,
directividad, etc. Pero como emiten luz visible (entre 400 y 700nm), existen mecanismos reflejos en el
cuerpo (como el reflejo parpebral) que nos hacen cerrar los ojos y apartar la mirada del foco de luz intenso.
Se ha calculado mediante experimentos que, como máximo, la exposición tendrá una duración de unos
250ms, y en este tiempo el nivel de exposición no supera el EMP. Por lo tanto, se puede decir que son
productos no peligrosos, pero debido a que el tiempo de exposición queda limitado a un tiempo muy
pequeño gracias a que emiten radiación visible. Un producto clase 2 emite típicamente potencias del
orden o inferiores a 1mW.
CLASE 3
Son productos peligrosos para el ojo, y si se mira a través de instrumentos ópticos, más. Con esta
definición, como ya se ha dicho, existe un rango muy amplio de dispositivos. Muchos de ellos presentan
riesgo real en circunstancias muy improbables, lo que llevó a definir una subclase 3A para aquellos de
menor riesgo, y para los que las medidas preventivas son más relajadas. La idea era acertada porque de
hecho, no ha habido accidentes* con dispositivos de clase 3A. Esta circunstancia llevó a pensar en una
incorrecta definición de los límites de la clase, por lo que se han revisado recientemente y se ha creado una
nueva subclase 3R (La “R” significa “de peligrosidad Reducida”), con una idea similar a la obsoleta
subclase 3A.
La subclase 3B se reserva para productos claramente peligrosos para el ojo, en cualquier circunstancia,
y que exigen medidas preventivas por parte del fabricante y el usuario para su utilización segura.
CLASE 4
Los productos de clase 4 son peligrosos para el ojo, incluso por radiación proveniente de una reflexión
difusa (por ejemplo, en una pared). También pueden causar daños sobre la piel y constituir un peligro
de incendio. Las medidas preventivas deben ser extremas. En la práctica, sólo determinados láseres
industriales (por ejemplo, de soldadura) y para investigación llegan a esta categoría. Las potencias
involucradas son del orden de Watios o Kilowatios.
Medidas preventivas
Clase 1: ninguna (no son peligrosos), una pegatina indicando la clase.
Clase 2: Etiqueta triangular de peligro (fabricante) y no mirar fijamente al haz (el usuario), para que funcione
el “reflejo de aversión”. Una pegatina indicando la clase y el mensaje “NO MIRAR FIJAMENTE AL HAZ”
Clase 3A ó 3R: Pegatina con la clase y el mensaje “EVITE LA EXPOSICIÓN AL HAZ”; formación previa,
obturador mecánico para tapar el haz; que exista un responsable de seguridad; y gafas de protección. Es
muy importante destacar que las gafas de protección son específicas para una longitud de onda y niveles de
potencia, ¡no vale cualquiera!.
Clase 3B: Pegatina con la clase y el mensaje “LA EXPOSICIÓN AL HAZ ES PELIGROSA”; formación
previa, obturador; encendido con llave; responsable de seguridad; gafas de protección; zona de seguridad
señalizada.
Clase 4: Medidas extremas: materiales ignífugos, entrenamiento previo; acceso restringido, …
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