Abschnitt 2: Lasergefahren

Gefahren durch Strahlen
Gefahren durch Nicht-Strahlen

Die von Lasern ausgehenden Gefahren können in zwei allgemeine Kategorien eingeteilt werden – strahlenbedingte Gefahren für Augen und Haut und nicht strahlenbedingte Gefahren, wie elektrische und chemische Gefahren.

Strahlenbedingte Gefahren

Unsachgemäß verwendete Lasergeräte sind potenziell gefährlich. Die Auswirkungen können von leichten Verbrennungen der Haut bis hin zu irreversiblen Verletzungen der Haut und der Augen reichen. Die von Lasern verursachten biologischen Schäden entstehen durch thermische, akustische und photochemische Prozesse.

Thermische Effekte werden durch einen Temperaturanstieg nach Absorption der Laserenergie verursacht. Die Schwere der Schädigung hängt von mehreren Faktoren ab, u. a. von der Dauer der Bestrahlung, der Wellenlänge des Strahls, der Energie des Strahls sowie von der Fläche und der Art des Gewebes, das dem Strahl ausgesetzt ist.

Akustische Wirkungen entstehen durch eine mechanische Schockwelle, die sich durch das Gewebe ausbreitet und es letztlich schädigt. Dies geschieht, wenn der Laserstrahl eine örtlich begrenzte Verdampfung des Gewebes verursacht, was zu einer Schockwelle führt, die mit den Wellen im Wasser vergleichbar ist, die entstehen, wenn man einen Stein in einen Teich wirft.

Die Strahlenexposition kann auch photochemische Wirkungen verursachen, wenn Photonen mit den Gewebezellen interagieren. Eine Veränderung der Zellchemie kann zu einer Schädigung oder Veränderung des Gewebes führen. Photochemische Wirkungen hängen stark von der Wellenlänge ab. Tabelle 2 fasst die wahrscheinlichen biologischen Wirkungen der Exposition von Augen und Haut bei verschiedenen Wellenlängen zusammen.

Photobiologisch Spektralbereich	Auge	Haut
Ultraviolett C (200 nm – 280 nm)	Photokeratitis	Erythema (Sonnenbrand) Hautkrebs Beschleunigte Hautalterung
Ultraviolett B (280 nm – 315 nm)	Photokeratitis	Verstärkte Pigmentierung
Ultraviolett A (315 nm – 400 nm)	Photochemischer Katarakt	Pigmentverdunkelung Hautverbrennung
Sichtbar (400 nm – 780 nm)	Photochemische und thermische Netzhautschäden	Pigmentverdunkelung Photosenstive Reaktionen Hautverbrennung
Infrarot A (780 nm – 1400 nm)	Katarakt und Netzhautverbrennung	Hautverbrennung
Infrarot B (1.4mm – 3.0 mm)	Hornhautverbrennung, Wimpernschlag, Katarakt	Hautverbrennung
Infrarot C (3.0 mm – 1000 mm)	Nur Hornhautverbrennung	Hautverbrennung

Arten der Strahlenexposition (oben)

Die Exposition durch den Laserstrahl ist nicht auf die direkte Strahlenexposition beschränkt. Insbesondere bei Hochleistungslasern kann die Exposition gegenüber Strahlreflexionen ebenso schädlich sein wie die Exposition gegenüber dem Primärstrahl.

Intrastrahlexposition bedeutet, dass das Auge oder die Haut direkt dem gesamten oder einem Teil des Laserstrahls ausgesetzt ist. Das Auge oder die Haut ist der vollen möglichen Bestrahlungsstärke ausgesetzt.

Spezielle Reflexionen von Spiegeloberflächen können fast so schädlich sein wie die Exposition gegenüber dem direkten Strahl, insbesondere wenn die Oberfläche flach ist. Gekrümmte spiegelähnliche Oberflächen verbreitern den Strahl, so dass das Auge oder die Haut zwar nicht die volle Wirkung des Strahls absorbiert, aber ein größerer Bereich für eine mögliche Exposition vorhanden ist.

Eine diffuse Oberfläche ist eine Oberfläche, die den Laserstrahl in viele Richtungen reflektiert. Spiegelähnliche Oberflächen, die nicht völlig eben sind, wie Schmuck oder Metallwerkzeuge, können diffuse Reflexionen des Strahls verursachen. Diese Reflexionen übertragen nicht die volle Leistung oder Energie des Primärstrahls, können aber dennoch schädlich sein, insbesondere bei Hochleistungslasern. Diffuse Reflexionen von Lasern der Klasse 4 können Brände auslösen.

Ob eine Oberfläche ein diffuser Reflektor oder ein spiegelnder Reflektor ist, hängt von der Wellenlänge des Strahls ab. Eine Oberfläche, die für einen sichtbaren Laser ein diffuser Reflektor ist, kann für einen infraroten Laserstrahl ein spiegelnder Reflektor sein.

Auge (oben)

Die größte Gefahr des Laserlichts geht von den Strahlen aus, die in das Auge gelangen. Das Auge ist das Organ, das am empfindlichsten auf Licht reagiert. So wie man mit einer Lupe die Sonne bündeln und Holz verbrennen kann, fokussiert die Linse im menschlichen Auge den Laserstrahl auf einen winzigen Punkt, der die Netzhaut verbrennen kann. Ein Laserstrahl mit geringer Divergenz, der in das Auge eintritt, kann auf einen Bereich von 10 bis 20 Mikrometern Durchmesser fokussiert werden.

Die Gesetze der Thermodynamik begrenzen die Leistung von Lasern nicht. Der zweite Hauptsatz besagt, dass die Temperatur einer Oberfläche, die durch einen Strahl einer thermischen Strahlungsquelle erwärmt wird, nicht höher sein kann als die Temperatur des Quellstrahls. Der Laser ist eine nichtthermische Strahlungsquelle und kann Temperaturen erzeugen, die weit über seine eigene Temperatur hinausgehen. Ein 30-mW-Laser, der bei Raumtemperatur betrieben wird, kann (wenn er fokussiert ist) genug Energie erzeugen, um sofort durch Papier zu brennen.

Nach dem Gesetz der Energieerhaltung nimmt die Energiedichte (Maß für die Energie pro Flächeneinheit) des Laserstrahls mit abnehmender Punktgröße zu. Das bedeutet, dass die Energie eines Laserstrahls durch die Fokussierung des Auges bis zum 100.000-fachen verstärkt werden kann. Wenn die Bestrahlungsstärke im Auge 1 mW/cm2 beträgt, liegt die Bestrahlungsstärke auf der Netzhaut bei 100 W/cm2. Daher kann selbst ein Laser mit geringer Leistung im Milliwatt-Bereich eine Verbrennung verursachen, wenn er direkt auf die Netzhaut gerichtet wird.

Niemals einen Laser auf die Augen einer Person richten, egal wie gering die Leistung des Lasers ist.

Struktur des Auges (oben)

Die Schädigung des Auges hängt von der Wellenlänge des Strahls ab. Um die möglichen gesundheitlichen Auswirkungen zu verstehen, ist es wichtig, die Funktionen der wichtigsten Teile des menschlichen Auges zu kennen.

Die Hornhaut ist die transparente Gewebeschicht, die das Auge bedeckt. Schäden an der äußeren Hornhaut können unangenehm (wie ein körniges Gefühl) oder schmerzhaft sein, heilen aber in der Regel schnell ab. Schäden an tieferen Schichten der Hornhaut können zu dauerhaften Schäden führen.

Querschnitt durch das menschliche Auge

Die Linse bündelt das Licht, um Bilder auf der Netzhaut zu erzeugen. Mit der Zeit wird die Linse weniger biegsam, so dass es schwieriger wird, auf nahe Objekte zu fokussieren. Mit zunehmendem Alter trübt sich die Linse auch ein und wird schließlich undurchsichtig. Dies wird als Katarakt bezeichnet. Jede Linse entwickelt irgendwann einen Grauen Star.

Der Teil des Auges, der das schärfste Sehen ermöglicht, ist die Fovea centralis (auch Makula lutea genannt). Dies ist ein relativ kleiner Bereich der Netzhaut (3 bis 4 %), der das detaillierteste und schärfste Sehen sowie die Farbwahrnehmung ermöglicht. Deshalb bewegen sich die Augen beim Lesen oder beim Betrachten von Dingen; das Bild muss auf die Fovea fokussiert werden, um eine detaillierte Wahrnehmung zu ermöglichen. Der Rest der Netzhaut kann Licht und Bewegungen wahrnehmen, aber keine detaillierten Bilder (peripheres Sehen).

Wenn eine Laserverbrennung in der Fovea auftritt, kann der größte Teil des feinen Sehens (Lesen und Arbeiten) in einem Augenblick verloren gehen. Tritt eine Laserverbrennung in der Peripherie auf, hat sie möglicherweise nur geringe oder keine Auswirkungen auf das feine Sehen. Wiederholte Verbrennungen der Netzhaut können zur Erblindung führen.

Glücklicherweise verfügt das Auge über einen Selbstverteidigungsmechanismus – die Blinzel- oder Abwendungsreaktion. Wenn helles Licht auf das Auge trifft, neigt das Auge dazu, innerhalb einer Viertelsekunde zu blinzeln oder sich von der Lichtquelle abzuwenden (Aversion). Dies kann das Auge vor Schäden schützen, wenn es sich um Laser mit geringer Leistung handelt, aber nicht, wenn es sich um Laser mit hoher Leistung handelt. Bei Hochleistungslasern kann die Schädigung in weniger als einer Viertelsekunde eintreten.

Symptome einer Laserverbrennung im Auge sind Kopfschmerzen kurz nach der Exposition, übermäßiges Tränen der Augen und plötzliches Auftreten von Floatern in Ihrem Blickfeld. Floater sind wirbelnde Verzerrungen, die zufällig beim normalen Sehen auftreten, meist nach einem Blinzeln oder wenn die Augen einige Sekunden lang geschlossen waren. Floater werden durch abgestorbenes Zellgewebe verursacht, das sich von der Netzhaut und der Aderhaut löst und im Glaskörper schwimmt. Augenärzte tun kleinere Laserverletzungen oft als Floater ab, da es sehr schwierig ist, kleinere Verletzungen der Netzhaut zu erkennen. Kleinere Hornhautverbrennungen verursachen ein körniges Gefühl wie Sand im Auge.

Der Grad der Verletzung des Auges durch Laserlicht hängt von mehreren Faktoren ab:

Pupillengröße – Die Verkleinerung des Pupillendurchmessers verringert die Gesamtenergiemenge, die auf die Netzhautoberfläche trifft. Die Pupillengröße reicht von einem Durchmesser von 2 mm bei hellem Sonnenlicht bis zu einem Durchmesser von 8 mm bei Dunkelheit (Nachtsicht).
Pigmentierungsgrad – Mehr Pigment (Melanin) führt zu mehr Wärmeabsorption.
Größe des Netzhautbildes – Je größer das Bild, desto größer der Schaden, da ein Temperaturgleichgewicht erreicht werden muss, um Schaden anzurichten. Die Geschwindigkeit der Gleichgewichtsbildung wird durch die Größe des Bildes bestimmt.
Impulsdauer – Je kürzer die Zeit (ns versus ms), desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung.
Impulswiederholungsrate – Je schneller die Rate, desto geringer die Möglichkeit der Wärmeableitung und Erholung.
Wellenlänge – bestimmt, wo sich die Energie ablagert und wie viel durch das Augenmedium gelangt.

Augenabsorptionsstelle vs. Wellenlänge (oben)

Die Wellenlänge bestimmt, wo die Laserenergie im Auge absorbiert wird.

Quelle: Sliney & Wolbarsht, Safety with Lasers and Other Optical Sources, Plenum Press, 1980

Laser im sichtbaren und nahen infraroten Bereich des Spektrums haben das größte Potenzial für Netzhautverletzungen, da die Hornhaut und die Linse für diese Wellenlängen transparent sind und die Linse die Laserenergie auf die Netzhaut fokussieren kann. Die maximale Absorption der Laserenergie auf der Netzhaut liegt im Bereich von 400 – 550 nm. Argon- und YAG-Laser arbeiten in diesem Bereich und sind damit die gefährlichsten Laser im Hinblick auf Augenverletzungen. Wellenlängen von weniger als 550 nm können eine photochemische Schädigung verursachen, die einem Sonnenbrand ähnelt. Photochemische Wirkungen sind kumulativ und entstehen bei langer Exposition (über 10 Sekunden) mit diffusem oder gestreutem Licht. Tabelle 3 fasst die wahrscheinlichsten Auswirkungen einer Überexposition gegenüber verschiedenen, häufig verwendeten Lasern zusammen.

Haut (oben)

Laser können die Haut durch photochemische oder thermische Verbrennungen schädigen. Je nach Wellenlänge kann der Strahl sowohl die Epidermis als auch die Dermis durchdringen. Die Epidermis ist die äußerste lebende Schicht der Haut. Fernes und mittleres Ultraviolett (das aktinische UV) wird von der Epidermis absorbiert. Ein Sonnenbrand (Rötung und Blasenbildung) kann die Folge einer kurzzeitigen Exposition gegenüber den Strahlen sein. UV-Exposition wird auch mit einem erhöhten Risiko für Hautkrebs und vorzeitige Hautalterung (Falten usw.) in Verbindung gebracht.

Thermische Verbrennungen der Haut sind selten. Sie erfordern in der Regel eine Exposition gegenüber hochenergetischen Strahlen über einen längeren Zeitraum hinweg. Kohlendioxid- und andere Infrarotlaser werden am häufigsten mit thermischen Verbrennungen in Verbindung gebracht, da dieser Wellenlängenbereich tief in das Hautgewebe eindringen kann. Die daraus resultierende Verbrennung kann ersten Grades (Rötung), zweiten Grades (Blasenbildung) oder dritten Grades (Verkohlung) sein.

Einige Personen sind lichtempfindlich oder nehmen verschreibungspflichtige Medikamente ein, die eine Lichtempfindlichkeit hervorrufen. Besondere Aufmerksamkeit muss der Wirkung dieser (verschriebenen) Medikamente, einschließlich einiger Antibiotika und Fungizide, auf die Person gewidmet werden, die das Medikament einnimmt und mit oder in der Nähe von Lasern arbeitet.

Gefahren außerhalb des Strahls (oben)

Zusätzlich zu den Gefahren, die direkt mit der Exposition gegenüber dem Strahl verbunden sind, können zusätzliche Gefahren durch Druckgasflaschen, kryogene und toxische Materialien, ionisierende Strahlung und elektrische Schläge entstehen.

Elektrische Gefahren (oben)

Die Verwendung von Lasern oder Lasersystemen kann eine Stromschlaggefahr darstellen. Dies kann durch den Kontakt mit freiliegenden Stromversorgungs-, Gerätesteuerungs- und Stromversorgungsleitern geschehen, die ein Potential von 50 Volt oder mehr aufweisen. Diese Gefährdung kann bei der Einrichtung, Installation, Wartung und Instandhaltung von Lasern auftreten, wenn die Schutzabdeckungen der Geräte häufig entfernt werden, um den Zugang zu den aktiven Komponenten zu ermöglichen, die für diese Tätigkeiten erforderlich sind. Die Auswirkungen können von einem leichten Kribbeln bis hin zu schweren Verletzungen oder dem Tod reichen. Der Schutz vor versehentlichem Kontakt mit stromführenden Leitern durch ein Barrieresystem ist die primäre Methode zur Vermeidung von Stromschlägen.

Zusätzliche Anforderungen an die elektrische Sicherheit von Lasergeräten, -systemen und denjenigen, die mit ihnen arbeiten, werden von der Bundesbehörde für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz OSHA, dem National Electric Code und den entsprechenden staatlichen und lokalen Vorschriften gestellt. Personen, die Laser reparieren oder warten, benötigen unter Umständen eine spezielle Schulung zu elektrischen Sicherheitsmaßnahmen am Arbeitsplatz. Wenden Sie sich an den Sicherheitsingenieur der Universität (258-5294), um eine elektrische Sicherheitsinspektion und/oder die erforderliche Schulung zu erhalten.

Eine weitere besondere Gefahr besteht darin, dass sich Hochspannungsstromversorgungen und Kondensatoren für Laser häufig in der Nähe von Kühlwasserpumpen, -leitungen, -filtern usw. befinden. Im Falle eines Auslaufens oder eines Schlauchbruchs kann es zu einer äußerst gefährlichen Situation kommen. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann eine Überkühlung zu Kondensation führen, die ähnliche Auswirkungen haben kann. Ein potenziell tödlicher Unfall ereignete sich an der Princeton University, als ein Doktorand einen Laser öffnete, um Kondenswasser von einer Röhre abzuwischen.

Im Folgenden werden Empfehlungen zur Vermeidung von Stromschlägen für Laser aller Klassen gegeben:

Alle Geräte sollten gemäß OSHA und dem National Electrical Code installiert werden.
Alle elektrischen Geräte sollten so behandelt werden, als stünden sie unter Spannung.
Arbeiten mit oder in der Nähe von stromführenden Schaltkreisen sollten vermieden werden. Wann immer es möglich ist, sollten Sie den Stecker ziehen, bevor Sie daran arbeiten.
Wenn Arbeiten an stromführenden elektrischen Geräten erforderlich sind, sollte ein „Buddy-System“ verwendet werden, insbesondere nach den normalen Arbeitszeiten oder in abgelegenen Bereichen. Idealerweise sollte diese Person über Kenntnisse in Erster Hilfe und Herz-Lungen-Wiederbelebung verfügen.
Ringe und metallische Uhrenarmbänder sollten nicht getragen werden, ebenso wenig sollten metallische Stifte, Bleistifte oder Lineale verwendet werden, während man mit elektrischen Geräten arbeitet.
Stromkreise sollten mit einer Hand bearbeitet werden, wenn dies möglich ist.
Wenn man mit elektrischen Geräten arbeitet, sollten nur Werkzeuge mit isolierten Griffen verwendet werden.
Elektrische Geräte, die bei der geringsten Berührung Strom spüren lassen, sollten vor der weiteren Verwendung außer Betrieb genommen, gekennzeichnet und repariert werden.
Bei Arbeiten mit hohen Spannungen ist der Boden als leitend und geerdet zu betrachten, es sei denn, man steht auf einer angemessen isolierten, trockenen Matte, die normalerweise für elektrische Arbeiten verwendet wird.
An stromführenden elektrischen Geräten sollte nicht gearbeitet werden, wenn man auf einem nassen Boden steht oder wenn die Hände, Füße oder der Körper nass sind oder schwitzen.
Gefahrbringende Tätigkeiten nicht ausführen, wenn man wirklich müde ist, emotional gestresst ist oder unter dem Einfluss von Medikamenten steht, die die mentalen und reflexiven Prozesse stumpfen oder verlangsamen.
Beim Arbeiten mit festverdrahteten Geräten die Lockout/Tagout-Verfahren befolgen.

Gefahren durch Strahlen

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