tema 3 fuentes de luz y emisión láser

Fundamentos de Óptica
Apuntes de Óptica
Curso 2008/09
TEMA 3
FUENTES DE LUZ
Y EMISIÓN LÁSER
Prof.Dr. E. Gómez González
Departamento de Física Aplicada III
E.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla
2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)
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UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Tema 3: Fuentes de luz y emisión láser
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Consideraciones cuánticas
Emisión espontánea y absorción
Emisión estimulada y amplificación
Inversión de población
Cavidad resonante y modos de funcionamiento
Emisión láser
Coherencia espacial y temporal
Componentes generales y luz emitida
Comparación con fuentes de luz convencionales (filamento, gas, halógena)
Tipos de láser
Láser de medio sólido (rubí)
Láser de gas (He-Ne)
Láser de semiconductor (GaAS)
Almacenamiento óptico de información
Aplicaciones en comunicaciones ópticas
Otros tipos y aplicaciones. Holografía.
Riesgos en el uso de fuentes de luz láser
Clasificación y medidas de seguridad
Exposición Máxima Permisible y Zona de Riesgo Nominal
Dispositivos de protección ocular
Estos Fundamentos de Óptica han sido específicamente adaptados como Apuntes para el Curso de Óptica que imparte el autor en la asignatura Campos
Electromagnéticos de Ingeniería de Telecomunicación de la E.S.Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Se recomienda su utilización combinada con los
demás materiales y referencias de la asignatura.
Propiedad Intelectual
Estos Apuntes, así como el material contenido en ellos, están protegidos por las normas vigentes de Propiedad Intelectual y únicamente pueden
destinarse al estudio personal. Para citar la información contenida en los mismos debe indicarse:
Gómez González, E.: Fundamentos de Óptica: Fuentes de luz y emisión láser, Universidad de Sevilla 2006.
así como los datos específicos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entre corchetes.
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Consideraciones cuánticas
• Desde el punto de vista cuántico, los electrones están alrededor de los núcleos en
determinadas órbitas o niveles de energía (definidos por los números cuánticos)
• En estos niveles, los electrones están en un estado estable: ni absorben ni emiten energía
• Cuando un electrón “salta” de un nivel a otro se produce una radiación energética de valor
ΔE = hν
donde h es la constante de Planck, ν es la frecuencia de la radiación
emitida y ΔE es la diferencia de energía entre los niveles
• Estas radiaciones son ondas electromagnéticas propagándose con la velocidad de la luz
c ≈ 3·108 m/s
En el modelo corpuscular, la radiación emitida está constituida por fotones.
[1]
LASER = Light
Amplification by
Stimulated
Emission of
Radiation
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Emisión espontánea y absorción
• En condiciones normales, la mayoría de los átomos de una población se encuentran en su estado
más bajo de energía, pero el resto están excitados, con alguno de sus electrones en un nivel superior de energía.
• Los átomos que se encuentran en estado excitado emiten espontáneamente fotones, volviendo al nivel energético inferior. Este
proceso es aleatorio y los fotones emitidos no son coherentes, es decir, no guardan ninguna relación de fase unos con otros,
denominándose emisión espontánea.
• Cuando sobre un electrón incide radiación de energía ΔE, tiene lugar un proceso
de absorción, promocionándose el electrón a un nivel de energía superior.
Dispersión de
las líneas
espectrales
~ 10-11 m
Emisión estimulada y amplificación
• Si sobre un electrón en un estado excitado incide una radiación
de energía el átomo es estimulado a emitir un fotón de la misma
frecuencia y fase.
Este es el proceso de emisión estimulada y al sumarse ambas
radiaciones (la incidente y la emitida) tiene lugar la
amplificación de la radiación.
La emisión estimulada se puede producir en condiciones
normales pero es un efecto muy pequeño porque hay pocos
átomos en estado excitado.
ΔE = hν
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Inversión de población
• En un láser es necesario producir (mediante un aporte energético externo:
sistema de bombeo) un estado (del medio activo) en el que el nivel superior de energía esté
“superpoblado”, con más electrones que en el nivel inferior. En esas condiciones se dice que se
ha conseguido una inversión de población y la probabilidad de que tenga lugar una emisión
estimulada es muy alta, y se pueden obtener muchos fotones coherentes.
• Es necesario un medio activo con, al menos, 3 niveles energéticos “disponibles”
[1]
• densidad de ocupación de niveles
• probabilidades de transición
• coeficientes de Einstein
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Emisión láser: resumen
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Cavidad resonante y modos de funcionamiento
• La radiación debe estar confinada (“ir y volver”) en una cavidad resonante, formada por
dos espejos: uno total (r = 100%) y otro parcialmente reflectante (r ~ 95 → 99.9%)
cn = λ f
cn = c
n
f =
cn
λ
=
cn
m m = 1, 2, 3,...
2d
Tiempo
Energía (J)
Ondas estacionarias: d = m λ
2
Velocidad en el medio:
frecuencias de resonancia: f
Potencia (W)
d
Modos de funcionamiento:
• haz continuo (continuous wave, CW)
Tiempo
• pulsado (pulsed, P)
• gain switched: lámpara de bombeo se enciende/apaga. Pulsos de μs / ms
• Q-switched: ganancia de la cavidad en escala temporal. Pulsos de ns
• Modelocked: cavidad en trayecto ida-vuelta, Pulsos de ps → fs
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Coherencia Espacial y Temporal
Pulso (tren) de ondas de longitud lo, frecuencia νo y amplitud constante propagándose en OX
• tiempo en pasar por un punto (tiempo de coherencia): τo
• longitud de coherencia: lo
τ o = lo ν
o
Δν ≈
anchura espectral
1
τo
• Coherencia temporal ↔ monocromaticidad: Δλ/λ ≤ 10-15
• Coherencia espacial
En el límite lo→∞, Δν→0 se tiene una onda monocromática
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Componentes Generales y Luz Emitida (I)
Espejo
parcialmente
reflectante
Espejo
100%
reflectante
Componentes
Generales:
• medio activo
• sistema de bombeo
• cavidad resonante
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Luz emitida:
• monocromática
• colimada
• coherente
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Componentes Generales y Luz Emitida (II)
[1]
[4]
[1]
Perfil de intensidad
del haz
• modos TEM
• interesa gaussiano:
TEM00
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Comparación con fuentes convencionales (I): Lámparas incandescentes
[8]
1.
Monocromática
2.
Direccional (colimada)
3.
Coherente
4.
Alta irradiancia:
103 W/m2→ 1015 W/m2
Versátil: sintonizable,
CW / P, …
5.
1.
Múltiples longitudes de onda
2.
Multidireccional
3.
Incoherente
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Comparación con fuentes convencionales (II)
Tubos de gas (fluorescentes)
[8]
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Comparación con fuentes convencionales (III)
Lámparas halógenas
[12]
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Tipos de láser: los más comunes (sin incluir los de semiconductor)
WAVELENGTHS OF MOST COMMON LASERS
Laser Type
Wavelength (μm) Laser Type
Argon fluoride (Excimer-UV)
Krypton chloride (Excimer-UV)
Krypton fluoride (Excimer-UV)
Xenon chloride (Excimer-UV)
Xenon fluoride (Excimer-UV)
Helium cadmium (UV)
Nitrogen (UV)
Helium cadmium (violet)
Krypton (blue)
Argon (blue)
Copper vapor (green)
Argon (green)
Krypton (green)
Frequency doubled
Nd YAG (green)
Helium neon (green)
Krypton (yellow)
Copper vapor (yellow)
Key:
0.193
0.222
0.248
0.308
0.351
0.325
0.337
0.441
0.476
0.488
0.510
0.514
0.528
0.532
Wavelength (μm)
Helium neon (yellow)
Helium neon (orange)
Gold vapor (red)
Helium neon (red)
Krypton (red)
Rohodamine 6G dye (tunable)
Ruby (CrAlO3) (red)
Gallium arsenide (diode-NIR)
Nd:YAG (NIR)
Helium neon (NIR)
Erbium (NIR)
Helium neon (NIR)
Hydrogen fluoride (NIR)
Carbon dioxide (FIR)
Carbon dioxide (FIR)
0.594
0.610
0.627
0.633
0.647
0.570-0.650
0.694
0.840
1.064
1.15
1.504
3.39
2.70
9.6
10.6
0.543
0.568
0.570
UV = ultraviolet (0.200-0.400 µm)
VIS = visible (0.400-0.700 µm)
NIR = near infrared (0.700-1.400 µm)
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Láser de medio sólido
(rubí, T.Mainman, 1960)
Rubí: Al2O3 + Cr
~10-3
λ = 694.3 nm
bombeo óptico: Xe
Pulsos ~ 5 J ( ~ 1012 W)
c
Diámetro ~ 0.5 cm
Longitud ~ 5 cm
[1]
[1]
Nd:YAG
Nd:YLF
Ti:Sapphire
λ ~ 1064 nm (doubled)
λ~ 527 nm
Rojo
Aplicaciones:
• I+D (fusión, …)
• materiales, …
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Láser de Gas
(He-Ne)
• He:Ne = 7:1 (Presión = 1 torr)
λ = 632.8 nm, P~mW
colisiones inelásticas / excitación electores códigos barras, …
e-
[1]
• Ar+: λ ~ 515 nm, P~10 W
aplicaciones médicas
• He-Cd: λ ~ 442 nm, P~10 mW
análisis ambiental (polución, …)
• CO2: λ ~ 10.2 μm, P~ kW
cortes, taladros,
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Láser de semiconductor
(GaAs)
ILD = Injected Laser Diode
• λ ± Δλ
• densidad de corriente
• Pulsado / Continua
modulable hasta 1012 Hz
ancho de pulso ~ 100 ns
• Energía:
30 mJ per pulse @ 1 kHz
• Potencia media
< 50 W @ 3 kHz
• Divergencia angular ~ 20 urad
(r = 100%)
(r = 99.9%)
[1]
• GaAs:
λ ~ 690 / 870 nm
comunicaciones / imagen alta velocidad
• GaN (ILD):
λ ~405-410 nm, P~30 mW
DVD blu-ray disc
• AlGaInP (ILD)
λ ~635→670 nm, P~220 mW
LED = Ligth Emitting Diode
CD-ROM
• AlGaAs (ILD)
Otros semiconductores:
λ ~780→830 nm, P~220 mW
CD-R/RW
IR → UVA
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Fundamentos
Almacenamiento óptico de información (I)
Reflexión
difusa
Reflexión
especular
1950 – discos magnéticos
1970 – videodiscos: audio
A
1980 – CD: audio
D
- CD-ROM: audio + datos
2000 – DVD
blu-ray disc
¡ no tocar !
normal
arañazo
polvo
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polvo
grasa de
transparente huella
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Almacenamiento óptico de información (II)
Tipos
Disco WORM (write once, read many)
- película (aleación) de Te, Sn y Pb sobre disco
de Al o cristal + capa protectora
ablación láser
cambio de reflectividad (R)
Almacenamiento Regrabable por cambio de fase
- mismo disco
Te: cambio de fase a T ambiente:
policristalino (R↑) → amorfo (R↑)
calentamiento + enfriamiento
CAPACIDAD: CD “convencional” = 5.25”
¾ con λ~800 nm → 17 MB/cm2 → 650 MB
¾ con λ~410 nm →387 MB/cm2 → 4.7 GB !!!
blu-ray disc
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Lectura de las
señales
Almacenamiento óptico de información (III)
d
Señales débiles → profundidad
de las marcas elegida tal que sea
d = (1/4) λ → diferencia
marca / “no marca”
tiene ∆Φ = λ/2
Ej.: CD con λ = 780 nm. Disco recubierto con
una capa de índice de refracción 1.50.
¿cuál debe ser la profundidad de las marcas?
Sol.: 130 nm
¡ interferencia destructiva en detector !
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Realimentación
para alineamiento
Almacenamiento óptico de información (IV)
El láser debe seguir con precisión las pistas en espiral,
separadas ~ 1.25μm → mecanismo de realimentación
para saber si se desvía:
→ RED DE DIFRACCIÓN:
- lectura: máximo central fuerte
- 2 máximos de primer orden en
las superficies planas inter-pistas → cte
Ej.: CD con λ=780 nm y red de difracción situada
a 6.90 μm del disco. Si los haces de primer orden
deben incidir a 0.400 μm de la pista
→ la red debe tener 74.2 líneas/mm
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[7]
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Almacenamiento óptico de información (V): disco magneto-óptico
Escritura
I↑
I↓
I↑
Almacenamiento Regrabable magneto-óptico
enfriamiento
- película (aleación) de metales/tierras raras: TbFeCo
inicial: dominios orientados → desmagnetización → reorientación (0/1) → dominios
reorientados
Campo débil: B~300 G
Calentamiento
(temperatura de Curie, T )
C
Campo alto: B ~ kG
estado ferromagnético → estado no ferromagnético
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Almacenamiento óptico de información (VI): disco magneto-óptico
Lectura
Lectura:
efecto Kerr (magneto-óptico):
conversión de luz polarizada
linealmente en luz polarizada
elípticamente por reflexión en
material ferromagnético
Luz polarizada incidente (~2 mW)
sobre material ferromagnético (M):
el plano de polarización gira
un cierto ángulo
θ= θ(M) ~ 0.5o -1o
↔ SNR <<
→ detección diferencial:
+/- θ → IA/ IB
Ej.: La superficie del disco se mueve con velocidad ~ 1 m/s respecto al haz
láser y cada marca es un cilidro de L ~ 1 μm y R ~ 1 μm. El material
ferromagnético tiene temperatura de Curie TC = 600 K, calor específico
ce = 300 J/(K oC) y densidad ρ = 2·103 kg/m3
→ el haz láser debe producir una irradiancia I ~ 108 W/m2
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Aplicación en comunicaciones ópticas
0,6
0,5
0,4
1550
window
0,3
0,2
1310
window
0,1
1100
1300
1500
1700
λ
1900
Wavelength
Pérdidas en fibra óptica:
ventanas en el IR
Interés para comunicaciones ópticas:
• láseres pulsados: alta velocidad de transmisión
• sintonizables: aprovechar las ventanas
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Otros tipos y aplicaciones
Líquidos: colorante (dye)
sintonizable: λ= 540→640 nm
P ~ 100 mW
Láser de electrones libres
Alta potencia
Resonadores EM
λ ~ 13 nm
Energy Source
Otros tipos
• gel
• químicos
• nucleares
•…
Aplicaciones
• industriales: corte, soldadura, …
• análisis químico / ambiental: LIDAR
• medicina: cirugía
• bio-óptica: inducción / marcado de
fluorescencia …
•…
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Holografía: registro y visualización de imágenes verdaderamente 3D
Registro:
Se graba un patrón de interferencia:
Visualización:
Se reconstruyen los frentes de onda
en amplitud, frecuencia y fase
(tal y como procedían del objeto)
haz de referencia + haz procedente del objeto
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Riesgos en el uso de fuentes de luz láser
1.
2.
3.
4.
5.
Ocular: La exposición aguda (“puntual”) a algunas longitudes de onda (290-400nm)
y/o potencias puede causar quemaduras en la córnea, la retina o ambas. La
exposición crónica (“prolongada”) a niveles excesivos puede causar opacidad en la
córnea o en el cristalino (cataratas) o daño retinal. La franja de daño retinal es de
400-1400 nm. Los efectos visuales pueden no ser evidentes hasta que el nivel de
daño térmico sea muy alto. La exposición al láser Nd:YAG Q-switched (1064 nm) es
particularmente peligrosa.
Dérmico: La exposición aguda a altos niveles de radiación óptica puede causar
quemaduras en la piel. Para potencias 1 W - 5 W el daño inicial es superficial. Para
potencias superiores el daño profundo es inmediato. La carcinogénesis puede
ocurrir para longitudes de onda ultravioleta (290-320 nm).
Químico: Algunos láseres necesitan sustancias peligrosas o tóxicas para su
funcionamiento (p.ej.: láseres de colorante o láseres de excímero). Los láseres
pueden inducir reacciones químicas con liberación de productos peligrosos
gaseosos (p.ej. flúor).
Eléctrico: La mayoría de los láseres utilizan fuentes de alto voltaje que pueden ser
letales. Fuentes defectuosas de >15 kV pueden emitir rayos-X.
Incendio: Los disolventes utilizados en los láseres de colorante son inflamables. Las
lámparas de flash o de alto voltaje puede ocasionar ignición. Los materiales
inflamables pueden entrar en ignición debido a incidencia directa o reflexiones
especulares de láseres infrarrojos continuos de alta potencia.
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Clasificación de los láseres y sus medidas de seguridad
‰
‰
‰
‰
‰
‰
Los láseres se clasifican por su potencial de riesgo basado en su emisión óptica
Las medidas de seguridad necesarias vienen determinadas por esta clasificación
De esta manera, no se imponen restricciones innecesarias en el uso de dispositivos fabricados para uso seguro
En EE.UU la clasificación de los láseres se basa en
American National Standards Institute’s (ANSI)
Z136.1 Safe Use of Lasers
En Europa / España se siguen normas análogas:
EN 60825 (2001) y otras
¡¡ CONSULTARLAS SIEMPRE!!
Reflexión especular
Reflexión difusa
Importancia de la reflexión especular o difusa
Una superficie puede ser rugosa → reflexión difusa para luz visible
pero ¡ especular ! para la luz IR (10.6 μm) de un láser de CO2
Los criterios de clasificación de los láseres son los siguientes:
1.
Longitud de Onda. Si el láser se ha diseñado para emitir en múltiples longitudes de onda, la
clasificación se basa en aquella más peligrosa
2.
Para clasificar los láseres de onda continua (continuous wave, CW) o los láseres pulsados
repetitivos se consideran la potencia promedio de salida (average power output) (en Watts) y el
tiempo de exposición límite (limiting exposure time) inherentes al diseño.
3.
Para clasificar los láseres pulsados se consideran la energía total por pulso (total energy per
pulse) (en Julios), la duración del pulso (pulse duration), la frecuencia de repetición de pulsos
(pulse repetition frequency) y la exposición radiante del haz emergente (emergent beam
radiant exposure).
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Clasificación ANSI:
• Clase 1 denota láseres o sistemas láser que, en condiciones normales de operación, no suponen ningún
riesgo.
• Clase 2 denota láseres visibles de baja potencia o sistemas láser que, debido a la respuesta normal del
sistema visual humano (parpadeo, movimiento ocular, …) normalmente no representan riesgo pero que
pueden presentar potencial de riesgo si inciden en el ojo directamente durante periodos prolongados de
tiempo (como muchas fuentes de luz convencionales).
• Clase 3a denota algunos láseres o sistemas láser con una etiqueta de PRECAUCIÓN (CAUTION) que
normalmente no causarían daño ocular si se ven únicamente con el ojo desnudo durante períodos
momentáneos de tiempo (dentro del período de respuesta –aversión- ocular) pero que pueden presentar un
riesgo mayor si se ven utilizando elementos ópticos concentradores (p.ej. lentes). Los láseres de la Clase 3a
tienen etiquetas de PELIGRO (DANGER) si pueden exceder los niveles permisibles de exposición. Si se
utilizan con precaución, los láseres de la Clase 3a poseen un riesgo bajo de daño.
• Clase 3b denota láseres o sistemas láser que pueden producir daño si se ven directamente. Esto incluye la
visión directa de reflexiones especulares. Normalmente, los láseres de Clase 3b no producen reflexión difusa
peligrosa.
• Clase 4 denota láseres y sistemas láser que producen daño no solamente por las reflexiones directas o
especulares, sino que también pueden producir riesgo significativo en la piel así como riesgo de incendio.
Ej. 4 Un puntero láser consta de un láser de semiconductor de P = 3 mW que forma un punto de 2 mm de
diámetro sobre la pantalla
I=
P
P
=
= ... = 9.6 ⋅102 W m 2 ∼ 103 W m 2
2
A πR
¡¡ irradiancia del sol a nivel del mar !!
¡¡ límite máximo del reflejo de parpadeo !!
¡Atención al desmontar carcasas! ↔ ¡¡ puede cambiar la CLASE !!
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Precauciones y Medidas de Seguridad
El Etiquetado debe indicar
• punto / dirección de salida del haz
• tipo (gas / diodo / iones / …)
• modo (continuo / pulsado)
• energía y frecuencia de pulsos / potencia
• longitud de onda (y si es invisible)
• Clase
• advertencias (para piel y ojos) según Clase
• [norma legal de referencia]
• advertencias según sustancias (tóxicas,
inflamables, …) y mecanismo de excitación
(riesgo eléctrico, …)
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Exposición Máxima Permisible (Maximum Permissible Exposure, MPE)
La MPE se define en ANSI Z-136.1 como “El nivel de radiación láser al que una persona puede estar expuesta sin sufrir
efectos peligrosos o cambios biológicos adversos en el ojo o en la piel“.
La MPE no es una “línea de diferenciación” entre una exposición segura y una peligrosa, sino que representa los niveles
máximos que, según el acuerdo de los expertos, pueden ser ocupacionalmente seguros para exposiciones repetidas.
La MPE, expresada en [J/cm2] or [W/cm2], depende de los parámetros del láser:
• longitud de onda
• duración de la exposición / Frecuencia de Repetición de Pulsos (Pulse Repetition Frequency, PRF),
• naturaleza de la exposición: directa, reflexión especular o difusa
Zona de Riesgo Nominal (Nominal Hazard Zone, NHZ)
En algunas aplicaciones se requiere disponer de haces expuestos o “al aire” (open beams), siendo necesario definir el área de
radiación láser potencialmente peligrosa.
Este área se llama ZONA DE RIESGO NOMINAL (nominal hazard zone, NHZ) y se define como el espacio dentro del cual el
nivel de radiación láser directa, dispersada o reflejada excede la MPE. El objetivo de la NHZ es definir el área en la cual se
requieren medidas de control y seguridad. Debe estar adecuadamente señalizada.
Dispositivos de protección ocular para láser (laser safety eyewear)
1. Los dispositivos de protección ocular deben estar disponibles y ser utilizados por todo el personal dentro de la NHZ de los
láseres de Clase 3b y Clase 4 donde puedan ocurrir exposiciones que superen la MPE.
2.El factor de atenuación (densidad óptica) de los dispositivos de protección visual debe ser especificado, para cada longitud de
onda, por el Funcionario de Seguridad Láser (Laser Safety Officer LSO).
3.Todos los dispositivos de protección visual láser deben estar claramente etiquetados con la densidad óptica y la longitud de
onda para la que ofrecen protección. Esto es especialmente importante en las áreas donde existan múltiples sistemas láser.
4. Los dispositivos de protección visual láser deben inspeccionarse, por si presentan daños, previamente a su uso.
2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 3 – Fuentes de luz y emisión láser)
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Factores a considerar al seleccionar los dispositivos de protección ocular
Los protectores oculares se fabrican en polímeros o cristales con un absorbente:
1. Los protectores específicos para una longitud de onda no sirven para otra (aunque sean próximas).
2. El fabricante debe señalar el tiempo máximo de resistencia (del protector) a la exposición indicando:
- modo continuo: potencia y número máximo de segundos
- modo pulsado: número máximo de pulsos / frecuencia y energía/pulso
3. El material absorbente se degrada con el tiempo: ¡¡ caducidad !!
4. Deben permitir el máximo de visión (mínima atenuación) en el resto del espectro visible. Para la mayoría de las
aplicaciones, no deben atenuar por completo el láser para permitir ver la localización del haz.
5. Otros: ángulo de visión y visión periférica, atenuación en otras longitudes de onda, posibilidad de llevar gafas de
corrección oftálmica simultáneas, resistencia a impactos y salpicaduras, peso y comodidad.
Tipos (comunes) de protectores oculares
Full-view spectacles
(gafas de campo completo)
Goggles
(gafas “submarinas”)
Lightweight spectacles
(gafas ligeras)
wrap-around spectacles
(gafas envolventes)
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