Seguridad láser

La seguridad en la radiación láser se refiere al diseño, uso e implementación seguros de los láseres para minimizar el riesgo de accidentes, especialmente aquellos que provocan lesiones oculares . Dado que incluso cantidades relativamente pequeñas de luz láser pueden causar lesiones oculares permanentes, la venta y el uso de láseres suelen estar sujetos a regulaciones gubernamentales.

Los láseres de potencia moderada y alta son potencialmente peligrosos porque pueden quemar la retina o incluso la piel. Para controlar el riesgo de lesiones, diversas especificaciones, como la Parte 1040 del Título 21 del Código de Regulaciones Federales (CFR) en EE. UU. y la norma IEC 60825 ^{[ 1 ]} a nivel internacional, definen "clases" de láser según su potencia y longitud de onda. Estas regulaciones imponen a los fabricantes medidas de seguridad obligatorias, como el etiquetado de los láseres con advertencias específicas y el uso de gafas de seguridad láser durante su funcionamiento. Las normas consensuadas, como la ANSI Z136 del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares , proporcionan a los usuarios medidas de control para los riesgos láser, así como diversas tablas útiles para calcular los límites de exposición máxima permisible (MPE) y los límites de exposición accesibles (AEL).

Los efectos térmicos son la causa principal de las lesiones por radiación láser, pero los efectos fotoquímicos también pueden ser motivo de preocupación para ciertas longitudes de onda. Incluso los láseres de potencia moderada pueden causar lesiones oculares. Los láseres de alta potencia también pueden quemar la piel. Algunos láseres son tan potentes que incluso la reflexión difusa de una superficie puede ser peligrosa para la vista.

La coherencia y el bajo ángulo de divergencia de la luz láser, junto con el enfoque del cristalino , pueden concentrar la radiación láser en un punto extremadamente pequeño de la retina. Un aumento transitorio de tan solo +10 °C (+18 °F) puede destruir las células fotorreceptoras de la retina . Si el láser es suficientemente potente, puede producirse un daño permanente en una fracción de segundo, más rápido que un parpadeo. Los láseres suficientemente potentes en el rango visible a infrarrojo cercano (400-1400 nm ) penetran el globo ocular y pueden calentar la retina, mientras que la exposición a la radiación láser con longitudes de onda inferiores a 400 nm o superiores a 1400 nm es absorbida en gran medida por la córnea y el cristalino, lo que puede provocar cataratas o quemaduras . ^{[ 2 ]}   

Los láseres infrarrojos son particularmente peligrosos, ya que la respuesta protectora del cuerpo para evitar el deslumbramiento, también conocida como el " reflejo de parpadeo ", se activa únicamente con la luz visible. Por ejemplo, algunas personas expuestas a láseres Nd:YAG de alta potencia que emiten radiación invisible de 1064  nm pueden no sentir dolor ni notar daños inmediatos en la vista. Un chasquido o crujido proveniente del globo ocular puede ser la única indicación de que se ha producido un daño en la retina, es decir, que la retina se calentó a más de 100 °C (212 °F), lo que provocó una ebullición explosiva localizada acompañada de la creación inmediata de un punto ciego permanente . ^{[ 3 ]}  

Los láseres pueden causar daños en los tejidos biológicos, tanto en el ojo como en la piel, debido a varios mecanismos. ^{[ 1 ]} El daño térmico, o quemadura , ocurre cuando los tejidos se calientan hasta el punto en que se produce la desnaturalización de las proteínas . Otro mecanismo es el daño fotoquímico , donde la luz desencadena reacciones químicas en el tejido. El daño fotoquímico ocurre principalmente con luz de longitud de onda corta (azul y ultravioleta ) y puede acumularse en el transcurso de horas. Los pulsos láser más cortos que aproximadamente 1 μs pueden causar un rápido aumento de la temperatura, lo que resulta en la ebullición explosiva del agua. La onda expansiva de la explosión puede posteriormente causar daños relativamente lejos del punto de impacto. Los pulsos ultracortos también pueden exhibir autoenfoque en las partes transparentes del ojo, lo que lleva a un aumento del potencial de daño en comparación con pulsos más largos con la misma energía. La fotoionización demostró ser el principal mecanismo de daño por radiación en el uso del láser de titanio-zafiro . ^{[ 4 ]}

El ojo enfoca la luz visible y la infrarroja cercana en la retina. Un rayo láser puede enfocarse en la retina con una intensidad que puede ser hasta 200 000 veces mayor que en el punto donde el rayo láser entra en el ojo. La mayor parte de la luz es absorbida por los pigmentos de melanina en el epitelio pigmentario justo detrás de los fotorreceptores, ^{[ 1 ]} y causa quemaduras en la retina. La luz ultravioleta con longitudes de onda inferiores a 400  nm tiende a ser absorbida por el cristalino y 300  nm por la córnea , donde puede producir lesiones a potencias relativamente bajas debido al daño fotoquímico. La luz infrarroja causa principalmente daño térmico a la retina en longitudes de onda infrarrojas cercanas y a las partes más frontales del ojo en longitudes de onda más largas. La tabla a continuación resume las diversas afecciones médicas causadas por láseres en diferentes longitudes de onda, sin incluir las lesiones debidas a láseres pulsados.

La piel suele ser mucho menos sensible a la luz láser que el ojo, pero la exposición excesiva a la luz ultravioleta de cualquier fuente (láser o no láser) puede causar efectos a corto y largo plazo similares a las quemaduras solares , mientras que las longitudes de onda visibles e infrarrojas son dañinas principalmente debido al daño térmico. ^{[ 1 ]}

Investigadores de la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) recopilaron una base de datos de más de 400 incidentes reportados ocurridos entre 1990 y 2004 en los que los pilotos se sobresaltaron, distrajeron, quedaron temporalmente cegados o desorientados por la exposición a láser. Esta información dio lugar a una investigación en el Congreso de los Estados Unidos . ^{[ 5 ]} La exposición a la luz láser de mano en tales circunstancias puede parecer trivial dada la brevedad de la exposición, las grandes distancias involucradas y la dispersión del haz de hasta varios metros. Sin embargo, la exposición al láser puede crear condiciones peligrosas como la ceguera por destello . Si esto ocurre durante un momento crítico en la operación de la aeronave, esta puede estar en peligro. Además, entre el 18% y el 35% de la población posee el rasgo genético autosómico dominante , estornudo fótico , ^{[ 6 ]} que provoca que el individuo afectado experimente un ataque de estornudos involuntario cuando se expone a un destello de luz repentino.

La exposición máxima permisible (EMP) es la densidad de potencia o energía más alta (en W/cm² ^o J/cm² ⁾ de una fuente de luz que se considera segura, es decir, que tiene una probabilidad insignificante de causar daño . Generalmente, es aproximadamente el 10 % de la dosis que tiene un 50 % de probabilidad de causar daño ^{[ 7 ]} en las peores condiciones. La EMP se mide en la córnea del ojo humano o en la piel, para una longitud de onda y un tiempo de exposición determinados.

El cálculo del MPE para la exposición ocular tiene en cuenta las diversas formas en que la luz puede actuar sobre el ojo. Por ejemplo, la luz ultravioleta profunda causa daño acumulativo, incluso a potencias muy bajas. La luz infrarroja con una longitud de onda superior a unos 1400  nm es absorbida por las partes transparentes del ojo antes de llegar a la retina, lo que significa que el MPE para estas longitudes de onda es mayor que para la luz visible. Además de la longitud de onda y el tiempo de exposición, el MPE considera la distribución espacial de la luz (procedente de un láser o de otra fuente). Los haces láser colimados de luz visible e infrarroja cercana son especialmente peligrosos a potencias relativamente bajas porque el cristalino enfoca la luz en un punto diminuto de la retina. Las fuentes de luz con un grado menor de coherencia espacial que un haz láser bien colimado, como los LED de alta potencia , dan lugar a una distribución de la luz sobre un área mayor de la retina. Para estas fuentes, el MPE es mayor que para los haces láser colimados. En el cálculo del MPE, se asume el peor escenario posible, en el que el cristalino enfoca la luz en el punto más pequeño posible de la retina para la longitud de onda específica y la pupila está completamente abierta. Aunque el MPE se especifica como potencia o energía por unidad de superficie, se basa en la potencia o energía que puede atravesar una pupila completamente abierta (0,39 ^cm²  ) ^para longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Esto es relevante para haces láser con una sección transversal menor a 0,39  cm² . Las normas IEC-60825-1 y ANSI Z136.1 incluyen métodos para calcular el MPE. ^{[ 1 ]} 

En diversas jurisdicciones, los organismos de normalización, la legislación y las normativas gubernamentales definen las clases de láser según los riesgos asociados a ellos, y establecen las medidas de seguridad necesarias para las personas que puedan estar expuestas a dichos láseres.

En la Comunidad Europea (CE), los requisitos de protección ocular se especifican en la norma europea EN 207 y las intensidades máximas de luz láser en la norma EN 60825. Además, la norma europea EN 208 especifica los requisitos para las gafas de protección que se utilizan durante la alineación del haz. Estas gafas transmiten una parte de la luz láser, lo que permite al operador ver dónde se encuentra el haz, pero no ofrecen protección total contra el impacto directo del láser.

En Estados Unidos , la guía para el uso de gafas protectoras y otros elementos para el uso seguro de láseres se encuentra en la serie de normas ANSI Z136. Estas normas consensuadas están destinadas a los usuarios de láseres, y se pueden adquirir copias completas directamente de ANSI o de la Secretaría oficial del Comité de Normas Acreditadas (ASC) Z136 y editor de esta serie de normas ANSI, el Laser Institute of America . ^{[ 8 ]} Las normas son las siguientes:

• ANSI Z136.1 – Uso seguro de láseres

Como documento principal de la serie Z136 de normas de seguridad láser, la norma Z136.1 constituye la base de los programas de seguridad láser para la industria, el ámbito militar, la investigación y el desarrollo (laboratorios) y la educación superior (universidades). ^{[ 9 ]}

• ANSI Z136.2 – Uso seguro de sistemas de comunicación por fibra óptica que utilizan fuentes de diodos láser y LED

Esta norma proporciona orientación para el uso, mantenimiento, servicio e instalación seguros de sistemas de comunicaciones ópticas que utilizan diodos láser o diodos emisores de luz que operan en longitudes de onda entre 0,6  μm y 1  mm. Los sistemas de comunicaciones ópticas incluyen enlaces de extremo a extremo basados ​​en fibra óptica, enlaces terrestres fijos punto a punto en espacio libre o una combinación de ambos. ^{[ 10 ]}

• ANSI Z136.3 – Uso seguro de láseres en la atención médica

Proporciona orientación a las personas que trabajan con láseres y sistemas láser de alta potencia de Clase  3B y Clase 4 en el ámbito de la salud. ^{[ 11 ]} 

• ANSI Z136.4 – Práctica recomendada para mediciones de seguridad láser para la evaluación de riesgos

Proporciona orientación sobre los procedimientos de medición necesarios para la clasificación y evaluación de los riesgos de la radiación óptica. ^{[ 12 ]}

• ANSI Z136.5 – Uso seguro de láseres en instituciones educativas

Aborda las preocupaciones sobre la seguridad láser en entornos educativos. ^{[ 13 ]}

• ANSI Z136.6 – Uso seguro de láseres en exteriores

Proporciona orientación para el uso seguro de láseres en un entorno exterior, por ejemplo, construcción, exhibiciones/ espectáculos de luces láser , investigación científica/astronómica y militar. ^{[ 14 ]}

• ANSI Z136.7 – Ensayos y etiquetado de equipos de protección láser

Proporciona orientación razonable y adecuada sobre los métodos y protocolos de prueba utilizados para brindar protección ocular contra láseres y sistemas láser. ^{[ 15 ]}

• ANSI Z136.8 – Uso seguro de láseres en investigación, desarrollo o pruebas

Proporciona orientación para el uso seguro de láseres y sistemas láser que se encuentran en entornos de investigación, desarrollo o prueba, donde los controles de seguridad comunes para los láseres comerciales pueden estar ausentes o desactivados. ^{[ 16 ]}

• ANSI Z136.9 – Uso seguro de láseres en entornos de fabricación

Esta norma, cuyo objetivo es proteger a las personas con potencial exposición a láseres cuando estos se utilizan en entornos de fabricación, incluye políticas y procedimientos para garantizar la seguridad láser tanto en la industria pública como en la privada, así como en el desarrollo de productos y las pruebas. ^{[ 17 ]}

Mediante la norma 21 CFR 1040, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) regula los productos láser que se comercializan y exige que todos los láseres de clase  IIIb y clase  IV que se ofrecen en el mercado estadounidense cuenten con cinco características de seguridad estándar: un interruptor de llave , un dongle de seguridad, un indicador de encendido, un obturador de apertura y un retardo de emisión (normalmente de dos a tres segundos). Los láseres OEM, diseñados para formar parte de otros componentes (como grabadoras de DVD ), están exentos de este requisito. Algunos láseres no portátiles pueden carecer de un dongle de seguridad o un retardo de emisión, pero sí de un botón de parada de emergencia o un interruptor remoto.

Los láseres se han clasificado por longitud de onda y potencia ^{[ 18 ]} en cuatro clases y algunas subclases desde principios de la década de 1970. Las clasificaciones categorizan los láseres según su capacidad para producir daños en las personas expuestas, desde la clase  1 (sin peligro durante el uso normal) hasta la clase  4 (peligro grave para los ojos y la piel). Existen dos sistemas de clasificación: el "sistema antiguo", utilizado antes de 2002, y el "sistema revisado", que se ha ido implementando gradualmente desde 2002. Este último refleja el mayor conocimiento sobre láseres acumulado desde que se ideó el sistema de clasificación original, y permite reconocer que ciertos tipos de láseres presentan un riesgo menor del que implicaba su ubicación en el sistema de clasificación original. El sistema revisado forma parte de la norma IEC 60825 revisada. Desde 2007, el sistema revisado también se ha incorporado a la norma de seguridad láser ANSI (ANSI Z136.1), orientada a EE. UU. Desde 2007, la FDA  acepta el etiquetado según el sistema revisado en los productos láser importados a EE. UU. Los sistemas antiguo y revisado se distinguen por las clases 1M, 2M y 3R, utilizadas únicamente en el sistema revisado, y las clases 2A y 3A, utilizadas únicamente en el sistema antiguo. En Estados Unidos, los números de clase se designaban con números romanos (I-IV) y en la Unión Europea con números arábigos (1-4). El sistema revisado utiliza números arábigos (1-4) en todas las jurisdicciones.

La clasificación de un láser se basa en el concepto de límites de emisión accesibles (LEA), definidos para cada clase de láser. Generalmente, se trata de la potencia máxima (en W) o energía (en J) que puede emitirse en un rango de longitud de onda y tiempo de exposición específicos, atravesando un diafragma de apertura determinado a una distancia específica. Para longitudes de onda infrarrojas superiores a 4 μm, se especifica como una densidad de potencia máxima (en W/m² ⁾ . Es responsabilidad del fabricante proporcionar la clasificación correcta del láser y equiparlo con las etiquetas de advertencia y medidas de seguridad adecuadas, según lo estipulado por la normativa. Las medidas de seguridad utilizadas con los láseres más potentes incluyen el funcionamiento mediante llave, luces de advertencia para indicar la emisión de luz láser, un obturador o atenuador del haz y un contacto eléctrico que el usuario puede conectar a un sistema de parada de emergencia o enclavamiento.

IEC 60825-1

A continuación, se enumeran las principales características y requisitos del sistema de clasificación especificado por la norma IEC 60825-1, junto con las etiquetas de advertencia típicas requeridas. Además, las clases 2 y superiores deben llevar la etiqueta de advertencia triangular que se muestra aquí, y se requieren otras etiquetas en casos específicos que indiquen la emisión láser, las aperturas láser, los riesgos para la piel y las longitudes de onda invisibles. Para las clases I a IV, consulte la sección « Sistema anterior» más abajo.

Clase 1

PRODUCTO LÁSER DE CLASE 1

Un láser de Clase 1 es seguro en todas las condiciones de uso normal. Esto significa que no se puede exceder la exposición máxima permisible (EMP) al observar un láser a simple vista o con la ayuda de ópticas de aumento típicas (por ejemplo, telescopio o microscopio ). Para verificar el cumplimiento, la norma especifica la apertura y la distancia correspondientes al ojo humano, un telescopio típico que observa un haz colimado y un microscopio típico que observa un haz divergente. Ciertos láseres clasificados como Clase  1 aún pueden representar un peligro al observarlos con un telescopio o microscopio de apertura suficientemente grande. Por ejemplo, un láser de alta potencia con un haz colimado muy grande o un haz muy divergente puede clasificarse como Clase  1 si la potencia que pasa a través de las aperturas definidas en la norma es menor que el AEL para Clase  1; sin embargo, una óptica de aumento con una apertura mayor puede captar un nivel de potencia inseguro. A menudo, dispositivos como los accionamientos ópticos se consideran de Clase 1 si contienen completamente el haz de un láser más potente y de clase superior, de modo que no se escape luz en condiciones de uso normal. ^{[ 19 ]}

Clase 1M

RADIACIÓN LÁSER. NO MIRAR DIRECTAMENTE CON INSTRUMENTOS ÓPTICOS. PRODUCTO LÁSER DE CLASE 1M.

Un láser de Clase 1M es seguro para todas las condiciones de uso, excepto cuando se hace pasar a través de ópticas de aumento como microscopios y telescopios.  Los láseres de Clase 1M producen haces de gran diámetro o haces divergentes. El MPE para un  láser de Clase 1M normalmente no se puede exceder a menos que se utilicen ópticas de enfoque o de imagen para estrechar el haz. Si el haz se vuelve a enfocar, el riesgo de  los láseres de Clase 1M puede aumentar y la clase de producto puede cambiar. Un láser puede clasificarse como Clase  1M si la potencia que puede pasar a través de la pupila del ojo desnudo es menor que el AEL para Clase  1, pero la potencia que puede ser captada por el ojo mediante ópticas de aumento típicas (según se define en la norma) es mayor que el AEL para Clase  1 y menor que el AEL para Clase  3B. ^{[ 20 ]}

Clase 2

RADIACIÓN LÁSER. NO MIRAR FIJAMENTE AL HAZ. PRODUCTO LÁSER DE CLASE 2.

Un láser de clase 2 se considera seguro porque el reflejo de parpadeo (respuesta de aversión al deslumbramiento ante luces brillantes) limita la exposición a no más de 0,25 segundos. Esto solo se aplica a láseres de luz visible (400–700  nm).  Los láseres de clase 2 están limitados a 1  mW de onda continua, o más si el tiempo de emisión es inferior a 0,25 segundos o si la luz no es espacialmente coherente. La supresión intencional del reflejo de parpadeo podría provocar lesiones oculares. Algunos punteros láser e instrumentos de medición son de clase  2.

Clase 2M

RADIACIÓN LÁSER. NO MIRAR FIJAMENTE AL HAZ NI CON INSTRUMENTOS ÓPTICOS. PRODUCTO LÁSER DE CLASE 2M.