激光安全知识

一、激光之电磁辐射危险性

以氦氖激光(Helium-neon laser)为例，放电及碰撞使其中的游离电子、氦原子与氖原子获得能量，因而都成为电磁辐射的来源，其中一部份是可以放大的激光辐射，输出后成为激光；其余则称为附加辐射(Collateral radiation)。

1、激光的危险性

激光光的高强度，使它与生体组织产生极剧烈的光化学 (Photochemical)、光热(Photothermal)、光动力(Photodynamic)、光剥离(Photodisruption)、光波电磁场等交互作用，而造成严重的伤害。周围的器材，尤其是可燃、可爆物，也会因而引起灾害。高度同调性造成的干涉，使相长干涉 (Constructive interference) 处的光更强，因此会导致更高的危害。

a、对于眼睛的危险性

人眼的角膜(Cornea)与结膜(Conjunctiva)没有受到如一般皮肤角质层的保护，最容易受到光束及其他环境因素的侵袭。激光光的强度很高，以致眼睑的反射动作产生保护作用之前，就造成伤害了。

眼睛所受的伤害与波长有关：可见光(Visible light)与红外线(Infrared)中的IR-A影响视网膜；紫外线(Ultraviolet)中的UV-B、UV-C及红外线的IR- B、IR-C影响角膜)；可见光和短波红外线(Near infrared；IR-A)会穿过清澈的眼中物质，而被视网膜吸收，所以若光束太强，就会伤害视网膜。激光光的高准直性(Collimation)，使光线能会聚于一个很小的点，在视网膜上约为10至20μm (比头发还细)。因此，400nm到1400nm之间的激光，对视网膜具有特别高的危险性，这个波段称为视网膜危险区(Retinal hazard region)。

由于热流和震波(Shock wave)的影响，环绕成像区的组织也可能受损，而对视觉功能造成更严重的后果。因为视网膜神经组织的修复能力甚低，这种伤害一般而言都是永久性的。

视网膜危险区之外的电磁波，包括紫外线和长波红外线(Far infrared)，则可能使眼睛的前方部分受伤。有些波段会伤害水晶体(Lens)，295nm至320nm以及1μm至2μm的辐射尤其严重。波段相当广的紫外线，以及波长大于1400nm的红外线，可能伤害角膜。只伤及角膜表皮时，一两天内就能修复，而使视力完全恢复。如果角膜的较深层部位发生显著伤害，会造成角膜瘢痕(Corneal scar)，而导致永久失明。

红外线的组织穿透深度(Penetration depth)方面，1,440 nm(如某些半导体激光)、1,540 nm(如铒-玻璃激光)、2,100 nm(如钬-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伤害的危险性比较高[1]。308 nm的氯化氙(XeCl)激光束，会使水晶体立即产生白内障(Cataract)，所以还具有额外的危险性。氩离子(Argon)、氪离子 (Krypton)、KTP倍频(Double frequency)、铜蒸汽(Copper vapor)、金蒸汽(Gold vapor)、氦氖(Heliun-Neon)、钕-雅克(Nd:YAG)等激光，对于视网膜都具有潜在危险性。铒-雅克(Er:YAG)、铒-氟化钇锂 (Er:YLF)、钬-雅克(Ho:YAG)、氟化氢(HF)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)等激光，则对角膜有危险性

b、对于皮肤的危险性

皮肤受伤害的原因，可能是光化学反应(主要在紫外线波段)，或热效应 (主要在红外线区)。例如红斑(晒斑) (Erythema)是表皮受伤所致，有时真皮也有某种程度的伤害，而这些伤害源于光化学引起的反应。如果了解其危险性，针对准分子(Excimer)的紫外线激光所需的保护皮肤措施，就容易规划及执行。可见光与红外线激光束的照射，可能造成一级、二级和三级灼伤。能引起严重热灼伤的辐照度，也可能引燃纺织品，烧毁塑料制品 伤害的严重程度，决定于照射时间的长度，以及激光光的透入深度。一般说来，若照射时间持续1秒钟或更久，疼痛反应会引起闪避动作，使受照部位离开光束，因而曝照时间会只有1秒钟或更短。如果照射时间很短，10.6μm的高功率激光束不会造成深部组织的灼伤，因为这个波长的穿透深度很浅(约为20μm)，事实上不会透过正常表皮角质层的厚度。二氧化碳激光对于表皮的伤害，是由于从角质层至更深处的热传导。但是，受到1064nm钕―雅克短脉波照射时，因为它能穿过数mm而进入组织内，所以刚超过灼伤阈值的曝照量，就足以造成深而严重的灼伤。钬- 激光(2.1μm)、KTP倍频激光(二倍频的钕―雅克，532nm)或氩激光(488 及514.5nm)造成的灼伤深度，介于二氧化碳与钕―雅克之间聚焦后的手术激光光点，或光纤尖端密集的辐照度，是用来将组织汽化或剥离的，所以对于焦点附近的皮肤极具危险性。反射后的激光束可能引燃衣物，造成皮肤的伤害和悲剧性的后果。使皮肤受伤的实际阈值，通常是数个J/cm2之谱，而这个程度的曝照量，不至于发生在手术激光的焦点外。

2、附加辐射(Collateral radiation)的危险性

激光的激发装置所产生未经放大的电磁辐射，会由激光装置的激光光出口(孔径)(Aperture)或机壳的缝隙逸出。由于其中可能有游离辐射，如紫外线或X 射线，所以可能引起伤害，尤其是长期曝照之后的危险性更高。注意机壳的紧密程度，避免长期靠近可能有附加辐射之处，可以大幅减少发生这类危险的机会。

二、相关的危险性及防范措施

相关的危险是激光或外围对象，可能因不当操作或故障、损坏而引起的危险，也包括正常操作时因为相关物质发生变化，而造成的危险。本节列举这类危险的细目，并说明防范之道。

1、高压电击

由于漏电或误触电路引起。若有良好接地，电线没有破损，非维修人员不碰触激光电路，则可避免这种危险。

2、电失火

因为电线短路、超载，或是电路旁之器材不耐高温及撞击电路部分所造成。注意检查电线，适量分散插座及开关之负荷，适当安置周围器材可以预防这种危险。

3、电路组件爆裂

激光中的电容器(Capacitor)、变压器(Transformer)最有可能爆裂，并因而造成击伤、失火、短路等。除了请维修人员定期检查这些器件的状况，并作必要之更新以外，避免过度使用，提防散热不良，可防止这类危险。

4、其他对象爆裂

激发激光用的强闪光灯，充有主动介质(Active medium)的气体管或离子体管(Plasma tube)可能因为不小心碰撞而爆裂。这些器件应该有坚固的护罩防止受撞击，并应防止掉落。

5、低温冷剂或压缩气体的危险性

激光或侦测器等所用的冷凝剂(Cryogenic coolant) 或压缩气体，可能因容器(如钢瓶)不安全或放置不当，而造成危险。防止这种危险的方法是：使用通过安全检查的容器，并依安全规定稳固地放置这些物品。

6、有毒气体或粉尘

激光使组织因光照汽化及高温分解产生可能有害的空飘污染物。高温分解产物与烤肉的烟尘相似，含有毒性物质及亚硝基胺等已知可致癌的物质。光化学反应产物及准分子激光的卤素气体外溢等，都会造成类似的危险。

良好的面罩等护具，功能完善的局部抽气排烟设备，是不可或缺的安全设施。烟气排出之前，务必要妥善过滤。

7、其他有害物质

红外线透镜或侦测器中的碲(Te)、镉(Cd)，染料激光用的溶剂与染料，有些对象( 如变压器 )中的多氯联苯(Polychlorinated biphenyl; PCB)，都是可能释出的毒性物质。使用这些物质时，务必采取适当的预防措施，使这些物质意外释出时得以迅速清除，以免发生污染。例如搭配局部抽气装置，在染料循环系统周围安置一些容器，以接收溢出或喷出之染料及溶剂，都是必要而可行的。

三、激光危险(Laser hazard)的分级

激光的附加辐射之危险性和相关其他的危险性，大多可藉适当的装置及措施加以防范。因此，激光的主要危险性在于其光束本身。根据激光光的危险程度加以分级(1至4级)，可以分别采取恰当的安全措施，简化决定适当安全措施的程序，以免过与不及。关于激光之生物效应的基本认识，是了解激光危险性的知识基础。一旦知道危险在哪里，安全措施就显而易明了。

1、第一级 (Class 1) 激光

激光打印机和各型光驱中，激光及其光束完全封闭于护罩内部，这是第1 级激光系统的一部份。在维修、调整过程中，这种系统的激光及光束即暴露出来，它的级别应视其波长与功率等因素认定之。

输出功率极低的激光，则是第1级激光中，与医疗应用较有关系的部分。它的光束是可以安全地目视的，不会对眼睛、皮肤造成伤害。例如不超过0.39μW的可见光激光；钕―雅克激光(Nd:YAG)基频(fundamental；1064nm)光束功率不超过 0.6mW，二倍频(second harmonic；double frequency；532nm)不超过0.39μW，四倍频(fourth harmonic；quadruple frequency；266nm)不超过0.8nW(0.8 x 10-9W)，都属于第一级。

2、第二级(Class 2)激光

第二级激光的光束久看有害，连续波可见光激光束功率高于第一级的上限，而低于1 mW时。这一级激光，也就是低危险激光。只有在故意反抗自然厌光反应(Aversion response)，持续凝视时，第二级激光才会造成眼部伤害。非可见光激光没有列入第二 级者。

3、第三级(Class 3)激光

总功率高于1.0mW的瞄准光束(Aiming beam)或对光激光(Alignment laser)，具有第三级危险性。即使只在完成厌光反应之前的短暂期间内，有第三级激光光进入眼睛，就会有伤害。第三级又分为三(a)、三(b)两个副级。

第三(a)级激光是光束功率为1至5mW，强度不超过25W/m2的可见光激光。如果它的光束大部分都进入眼中，会引起中度的眼睛伤害。辐射率（注1）较低时，久看有害；辐射率较高时，眼睛受短期照射，即造成伤害；用仪器观看亦立即造成伤害。非可见光激光也没有属于三(a)级激光者。

第三(b)级激光的光束直接照射眼睛与皮肤，立即造成伤害。它包含一些脉冲激光，以及输出功率介于5mW 与500mW之间的连续波激光。

4、第四级(Class 4)激光

输出功率高于0.5W(500mW)的连续波激光，属于第四级。如果使用不当，以致眼睛和皮肤受到直接光束或散射光束照射时，都会伤害眼睛与皮肤，及导致火灾。

5、注意事项

关于激光的级别，有三个特点值得加以强调：

• a、能产生医疗作用的，大多属第三(b)级和第四级。

• b、脉冲激光只有第一, 三(b)和四级。

• c、因为眼睛的聚光作用，须慎估造成伤害之照射剂量。

四、基本安全观念与措施

了解激光危险性所在之后，当可就激光的安全使用，建立制造者与操作者、使用者、管理者分工配合的基本观念及措施。

1、激光产品制造者的安全责任

制造者应提供周到的防护步骤及设施，使其产品具有基本的安全性。购买者验收时，则须确认所购产品具备此等安全性。

• a、认定激光级别：制造者须测定光束质量，据以认定其产品之危险等级。

• b、提供适切标示及指引：制造者须根据光束状况和级别，提供适切数据，包括在适当的位置( 如孔径处 ) 附着适当标志；并提供操作与维修之安全指引及重要规格数据。

• c、备妥基本安全设施(注2)：激光产品应有坚固的护罩(Protective housing)、安全连锁(Safety interlock)、钥匙开关(Key switch)、发射指示器(Emission indicator)、光束弱化器(Attenuator)、手动重开机装置(Manual reset)等。

2、「激光安全措施」部分小节

过去40年里，人们对于与激光相关危险性的了解，大致与激光问世初期相同，只是在个别安全措施上逐步提出方便性较高的主张，也逐步提出执行上须注意的细节。未来的发展，应该是沿着这种轨迹前进，例如对各种护目镜材料的安全限度认识更多之后，可以研制各波长分别适用的护目镜，尽量减少对于其他波长光线的阻挡，而让使用者能藉其他波长的非激光光线进行工作【目前的护目镜阻挡的光波频率范围大多较宽，而非单独过滤某波长，透入佩戴者眼中的光，呈现的是被阻挡的波段之互补色】。

此外，人们将会不断辨识出受到激光光照射时可能产生有害物质的情况，而提出相关的警告及安全措施。强脉波之电磁场可能产生的游离效应，以及X射线激光等的可能问世，也会造成新的安全顾虑。激光安全研究人员势必要研拟可行而有效的安全措施。从事与激光有关工作的人员，必须注意这些新发展。