11)Laser Safety

29
4/5/11 1 Laser Safety Sharon McQuillan, MD Laser Safety Sharon McQuillan, MD Basics of Laser & Laser Light Light AmplificaAon by SAmulated Emission of RadiaAon

Transcript of 11)Laser Safety

Page 1: 11)Laser Safety

4/5/11  

1  

Laser  Safety    

Sharon  McQuillan,  MD  

Laser  Safety  

Sharon  McQuillan,  MD  

Basics  of  Laser  &  Laser  Light  

Light    AmplificaAon  by  

   SAmulated  

     Emission  of  

       RadiaAon  

Page 2: 11)Laser Safety

4/5/11  

2  

Laser  Light  

Page 3: 11)Laser Safety

4/5/11  

3  

Laser  Light  

•  Coherent  – All  waves  of  light  generated  in  phase  with  each  other  

– MonochromaAc  – DirecAonal  

•  Non-­‐coherent  – PolychromaAc  – Non-­‐direcAonal              

Page 4: 11)Laser Safety

4/5/11  

4  

Laser  Light    

•  DirecAonal  – Laser  beam  does  not  expand  (diverge)  as  quickly  as  other  light  

•  Beam  divergence  – Natural  diffracAon  occurrence  – Measured  in  radans    

How  Lasers  Work  

•  ProducAon  of  normal  light  – Electrons  in  atoms  move  from  larger  orbits  to  smaller  orbits  

– Vast  number  of  electrons  are  excited  – Light  emiWed  at  random  Ames,  random  direcAons,  different  wavelengths  

ProducAon  of  Laser  Light  

Page 5: 11)Laser Safety

4/5/11  

5  

ProducAon  of  Laser  Light  

ProducAon  of  Laser  Light  

Laser  Components  •  AcAve  Medium  

–  Solid  (crystal)  –  Gas  –  Semiconductor  (diode)  –  Liquid  (dye)  

•  ExcitaAon  Mechanism  –  OpAcal  –  Electrical  –  Chemical  

•  OpAcal  Resonator  –  HR  mirror  and  output  coupler  

High  Reflectance  Mirror  (HR)  

Output  Coupler  Mirror  (OC)  

Ac8ve  Medium  

Output Beam

Excita8on  Mechanism  

Op8cal  Resonator  

Page 6: 11)Laser Safety

4/5/11  

6  

Laser  Components  •  AcAve  Medium  

–  Contains  atoms  which  can  emit  light  by  sAmulated  radiaAon  

•  ExcitaAon  Mechanism  –  Source  of  energy  to  excite  the  atoms  to  the  proper  energy  state  

•  OpAcal  Resonator  –  Reflects  laser  beam  through  acAve  medium  for  amplificaAon  

High  Reflectance  Mirror  (HR)  

Output  Coupler  Mirror  (OC)  

Ac8ve  Medium  

Output Beam

Excita8on  Mechanism  

Op8cal  Resonator  

Types  of  Lasers  

•  Lasers  can  be  described  by  :  – Which  part  of  the  electromagneAc  spectrum  is  represented  •  Infrared  •  Visible  spectrum  •  Ultraviolet  

– Length  of  Ame  beam  is  acAve  •  ConAnuous  Wave  (CW)  •  Pulsed  •  Ultra-­‐short  Pulsed  

Solid  State  Lasers  

•  Group  of  opAcally  clear  materials  •  Composed  of  a  “host”  crystal  with  an  “impurity”  dopant  – Operate  in  either  pulsed  or  CW  mode  – Energy  input  in  form  of  bright  light  – Light  absorbed  by  dopant  – Lasing  occurs  when  atoms  or  ions  return  to  normal  energy  states  

Page 7: 11)Laser Safety

4/5/11  

7  

Gas  Lasers  

•  Generally  operated  as  ConAnuous  Wave  (CW)  •  Most  common  gas  lasers  – CO2  – Argon  – HeNe  – Excimer  

Semiconductor  

•  Diode  •  Most  common  – Gallium/Aluminum/Arsenide  •  750-­‐950  nm  range  

–  Indium/Phosphorous  •  1100-­‐1650  nm  range  

Liquid  

•  UAlizes  a  flowing  dye  •  Pumped  by  a  flash-­‐lamp  of  other  laser  •  Operate  as  CW  or  pulsed  •  Have  tunable  wavelengths  

Page 8: 11)Laser Safety

4/5/11  

8  

Radiometric  Terms  

•  Light  emiWed  by  laser  is  non-­‐ionizing  electromagneAc  radiaAon  

•  Radiant  Energy  (Q)  – Energy  emiWed,  transferred,  or  received  in  form  of  radiaAon  

– Unit:    joule  (J)  

Radiometric  Terms  

•  Radiant  Power  (Φ)  – Power  emiWed,  transferred,  or  received  in  the  form  of  radiaAon  

– Equal  to  the  radiant  energy  (Q)  divided  by  the  corresponding  Ame  interval  

– Also  known  as  radiant  flux  – Unit:    waW  (W)  

Radiometric  Terms  

•  Radiant  exposure  (H)  – Radiant  energy  (Q)  striking  a  surface  divided  by  the  area  of  that  surface  over  which  the  radiant  energy  is  distributed  

– Unit:    joules  per  square  cenAmeter  (Jcm-­‐2)  

Page 9: 11)Laser Safety

4/5/11  

9  

Radiometric  Terms  

•  Irradiance  (E)  – Radiant  power  (φ)  striking  a  surface,  divided  by  the  area  of  that  surface  over  which  radiant  power  is  distributed  

– Radiant  exposure  divided  by  corresponding  Ame  interval  

– Unit:    waWs  per  square  cenAmeter  (Wcm-­‐2)  

Characterizing  Laser  Output  

InteracAon  of  Light  &  MaWer  

Page 10: 11)Laser Safety

4/5/11  

10  

InteracAon  of  Light  and  MaWer  

Laser  Biophysics  

Anatomy  of  the  Eye  

Page 11: 11)Laser Safety

4/5/11  

11  

Anatomy  of  the  Eye  

Effects  

Pupil  Size  

•  Determines  amount  of  energy  entering  the  eye  

•  Typical  sizes  – 2mm  daylight  – 3mm  indoor  – 7mm  dark  adapted  – 8mm  dialted  (eye  exam)  

Page 12: 11)Laser Safety

4/5/11  

12  

Laser  Thermal  Effects  

•  Rate  process  •  Heat  dissipaAon  with  Ame  – Thermal  damage  is  not  cumulaAve  as  long  as  the  reAna  cools  down  between  exposures  

•  Not  limited  by  photon  energy  

Laser  Photochemical  Effects  

•  Wavelength  dependent  •  Individual  photon  interacts  with  molecule  – Damage  is  sever  at  shorter  visible  wavelengths  (violet  and  blue)  and  is  cumulaAve  over  Ame  

Laser  AcousAc  Effects  

•  AcousAc  shock  – From  exposure  to  high  energy  pulsed  lasers  results  in  physical  Assue  damage  

Page 13: 11)Laser Safety

4/5/11  

13  

White  Light  Effects  

Laser  Radiance  Effects  

ReAnal  Hazard  Region  

Page 14: 11)Laser Safety

4/5/11  

14  

Ocular  AbsorpAon  Site  

•  Wavelengths  that  focus  on  reAna  (400-­‐1400  nm),  opAcal  gain  is  100,000  Ames  

•  Irradiance  entering  is  1  mW/cm2,  at  reAna  will  be  100  W/cm2  

ReAnal  Hazards  

•  O.25  seconds:  human  eye  aversion  Ame  for  bright  light  sAmuli  (blink  reflex)  

•  10  seconds:    worst-­‐case  Ame  period  for  ocular  exposures  to  infrared  (mostly  near-­‐infrared)  

•  600  seconds:    worst-­‐case  period  for  viewing  visible  diffuse  reflecAons    

•  28,800  seconds:  represents  full  1-­‐day  occupaAonal  exposure  

Corneal  and  Lens  Hazard  Region  

Page 15: 11)Laser Safety

4/5/11  

15  

Ocular  AbsorpAon  Site  

Chronic  exposure  can  cause  cataract  formaAon  in  the  lens  of  eye  just  as  UV  from  sun  can  

Ocular  AbsorpAon  Site  

InflammaAon  injury  to  cornea  caused  by  ultraviolet  (UV)  wavelengths  (200-­‐400  nm)    

Corneal  Injury  

•  Superficial  (Threshold)  Injury  – Epithelium  repairs  itself  quickly  and  lesion  clears  within  one  or  two  days  

•  Deep  Burns  – PenetraAng  burns  produce  a  permanent  opacity  and  may  require  corneal  transplant  in  order  to  repair  

Page 16: 11)Laser Safety

4/5/11  

16  

Skin  effects  

Photochemical/Thermal  Burns  

•  Ultraviolet  (UV)  – UV  can  cause  skin  injuries  comparable  to  sun  burn  •  As  with  damage  from  the  sun,  there  is  increased  risk  for  developing  skin  cancer  from  UV  laser  exposure  

•  Thermal  Injuries  – High  power  (Class  4)  lasers,  especially  infrared  and  visible  range  of  spectrum,  can  burn  skin  and  even  set  clothes  on  fire  

Page 17: 11)Laser Safety

4/5/11  

17  

Photochemical/Thermal  Burns  

•  Thermal  Skin  Burns  – Rare  – Normally  requires  high  exposure  of  several  J/cm2  – Most  common  from  CO2  or  10.6  μm  laser  exposure  

– First  degree  (erythema),  second  degree  (blistering),  and  third  degree  (charring)  burns  are  possible  dependent  upon  exposure  dose  

Laser  RegulaAons  

Laser  Safety  RegulaAons  

•  OccupaAonal  Safety  &  Health  AdministraAon  (OSHA)  – No  specific  laser  safety  regulaAons  – Will  cite  safety  issues  under  General  Duty  clause  29  CFR  1910.132  and  133    

– Will  enforce  ANSI  standards  for  laser  safety  

•  American  NaAonal  Standards  InsAtute  (ANSI)  – ANSI  Z136.1  

Page 18: 11)Laser Safety

4/5/11  

18  

ANSI  Z136.1  Safe  Use  of  Lasers  

•  Principal  U.S.  safety  standard  for  users  •  Began  in  1969  at  request  of  U.S.  Department  of  Labor  

•  Final  document  approved  1973  •  Revised  1976,  1980,  1986,  1993,  2000  •  Provides  recommendaAons  for  safe  use  of  lasers  and  laser  systems  between  180  nm  and  1mm  

Laser  Hazard  Classes  

•  ANSI  Laser  Safety  standard  defines  Laser  Hazard  Classes    

•  Based  on  relaAve  dangers  associated  with  the  use  of  these  devices  

Class  I  Lasers  

•  Cannot  normally  produce  hazardous  beam  because  of  its  extremely  low  power  

•  Has  been  rendered  intrinsically  safe  due  to  laser  being  completely  enclosed  so  that  no  hazardous  radiaAon  can  escape  and  cause  injury  

Page 19: 11)Laser Safety

4/5/11  

19  

Class  II  Lasers  

•  Visible  light  (400-­‐760  nm)  conAnuous  wave  or  pulsed  lasers    

•  Emit  energy  greater  than    limit  for  Class  I  lasers  and  radiaAon  power  not  about  1  mW  

•  Hazardous  only  if  one  stares  directly  into  beam  for  long  Ame  period,  similar  to  looking  directly  at  the  sun  

•  Eye  protecAon  is  aversion  response  •  CW    upper  limit  1mW  

Class  IIIa  Lasers  

•  Class  of  intermediate  power  lasers  •  Includes  any  wavelength  •  Hazardous  under  direct  and  specular  reflecAon  viewing  

•  Diffuse  reflecAon  usually  not  hazardous  •  Normally  not  fire  hazard  •  CW  upper  limit  0.5  W  

Class  IIIb  Lasers  

•  Visible  and  near-­‐IR  lasers  dangerous  to  eye  •  Pulsed  lasers  may  be  included  •  Normally  does  not  cause  thermal  skin  burn  or  cause  fires  

•  Requires  wriWen  standard  operaAng  procedures  

Page 20: 11)Laser Safety

4/5/11  

20  

Class  IV  Lasers  

•  Most  hazardous  class  •  Hazardous  to  eye  and  skin  from  direct  viewing  and  diffuse  reflecAon  

•  Fire  hazard  •  May  produce  generated  air  contaminants  •  May  produce  hazardous  plasma  radiaAon  •  Requires  wriWen  standard  operaAng  procedures  

Purpose  of  Control  Measures  

•  Reduce  exposure  to  laser  radiaAon  to  non-­‐hazardous  levels  or  below  MPE  levels  

•  Minimize  other  hazards  associated  with  laser  devices  during  operaAon,  maintenance,  and  service  

•  Control  exposure  to  non-­‐beam  hazards  

Types  of  Control  Measures  

•  AdministraAve  and  Procedural  •  Engineering  •  Personnel  ProtecAve  Equipment  •  Warning  Signs  and  Labels  

 

Page 21: 11)Laser Safety

4/5/11  

21  

Maximum  Permissible  Exposure  (MPE)  

•  Highest  level  of  radiaAon  that  a  person  can  be  exposed  without  hazardous  effects  

•  MPE  specified  in  W/cm2  for  CW  lasers  and  J/cm2  for  pulsed  lasers  

•  Value  depends  on  wavelength,  exposure  duraAon,  and  pulse  repeAAon  frequency  

•  Exposure  to  radiaAon  levels  in  excess  of  MPE  results  in  adverse  biological  effects  

Nominal  Hazard  Zones  (NHZ)  

•  Space  within  which  level  of  direct,  reflected,  or  scaWered  laser  radiaAon  during  operaAon  exceeds  applicable  MPE  

•  Exposure  levels  beyond  boundary  of  NHZ  are  below  applicable  MPE  

Page 22: 11)Laser Safety

4/5/11  

22  

Nominal  Hazard  Zones  

Nominal  Hazard  Zones  

•  Purpose  of  NHZ  evaluaAon  is  to  define  where  control  measures  are  required  

•  Factors  required  in  NHZ  computaAons  –  Laser  power  or  energy  output  –  Beam  diameter  –  Beam  divergence  –  Pulse  repeAAon  frequency  – Wavelength  –  Beam  opAcs  and  beam  path  – Maximum  anAcipated  exposure  duraAon  

Page 23: 11)Laser Safety

4/5/11  

23  

Non-­‐Beam  Hazards  

•  Refer  to  anything  other  than  the  laser  itself  that  can  create  a  hazard  

•  Includes  –  Electrical  hazards  –  Fire  hazards  –  Laser  generated  air  contaminants  (LGAC)  –  Compressed  gases  –  Chemical  hazards  –  Collateral  and  plasma  radiaAon  – Noise    

Electric  Shock  

•  Use  cauAon  when  working  on  or  near  high  voltage  power  supplies  used  for  Class  III  and  IV  lasers  

•  Sufficient  voltage  to  injure  or  kill  

Fire    

•  Following  laser  components  may  product  fire  hazards  – Electrical  circuits  – Laser  gases  – Laser  generated  airborne  contaminants  – Laser  dyes  – Beam  enclosures  – Beam  itself  

Page 24: 11)Laser Safety

4/5/11  

24  

Air  Contaminants  

•  Air  contaminated  due  to  interacAon  of  laser  beam  with  target  material  can  result  in  producAon  of  toxic  chemicals    

•  Thermal  destrucAon  of  Assue  creates  smoke  byproduct  

•  Plume  can  contain  live  cellular  materials  including  blood  fragments  or  viruses  

Chemicals  

•  Hazardous  chemicals  used  as  part  of  lasing  medium  can  create  special  problems  

•  Dyes  and  solvents  used  in  dye  lasers  are  toxic  and  open  carcinogenic  

•  Laser  operators  should  be  familiar  with  Material  Safety  Data  Sheets  (MSDS)  for  these  chemicals  

Engineering  Controls  

•  ProtecAve  housings  •  Service  access  panels  •  Key  control  master  switch  •  Viewing  windows,  display  screens  •  Beam  path  enclosures  •  Remote  interlock  connectors  •  Beam  stop  

Page 25: 11)Laser Safety

4/5/11  

25  

PPE  for  Skin  

•  Personnel  ProtecAve  Equipment  (PPE)  for  skin  exposed  to  Class  IIIb  or  IV  lasers  

•  Ultraviolet  lasers  may  require  that  Aghtly  woven  fabrixs  be  worn  to  protect  arms  and  hands  

•  For  lasers  with  wavelengths  >  1400  nm,  large  area  exposures  to  skin  can  result  in  dryness  and  heat  stress  

PPE  for  Eyes  

•  PPE  for  eyes  exposed  to  Class  IIIb  or  IV  lasers  is  mandatory  

•  Eyewear  with  side  protecAon  is  best  •  PPE  is  recommended  for  class  II  or  IIIa  lasers  when  intenAonal  direct  viewing  >0.25  seconds  is  necessary  

PPE  for  Eyes  

•  Factors  to  consider  when  selecAng  eyewear  – Wavelength  compatability  with  laser  – AWenuaAon  at  that  wavelength  or  opAcal  density  – Visual  transmiWance  – Comfort  and  fit  

Page 26: 11)Laser Safety

4/5/11  

26  

Intrabeam  Ocular  Density  DeterminaAon  

•  Based  upon  typical  exposure  condiAons,  opAcal  density  required  can  be  determined  

•  OpAcal  density  (OD)  is  a  logarithmic  funcAo  defined  by  – OD=  log  10(H0/MPE)  – H0  =  anAcipated  worst-­‐case  exposure  {Power/Area}  (J/cm2  or  W/cm2)  

– MPE  =  maximum  permissible  exposure  level  expressed  in  same  units  as  H0aser  

Laser  Safety  Signs  

Page 27: 11)Laser Safety

4/5/11  

27  

Page 28: 11)Laser Safety

4/5/11  

28  

Laser  Accident  Summary  

skin injury11%

electrical6%

malfunction5%

no-harm exp4%

fire2% others

2%

eye injury70%

Leading  Causes  of  Laser  Accidents  

•  Available  eye  protecAon  not  used  •  Equipment  malfuncAon  •  Improper  methods  of  handling  high  voltage  •  Inadequate  training  •  Failure  to  follow  SOP  •  Failure  to  provide  non-­‐beam  hazard  protecAon  

•  Incorrect  eyewear  selecAon  and/or  failure  

Page 29: 11)Laser Safety

4/5/11  

29  

EducaAon  &  Training  •  ANSI  requires  that  all  staff  that  work  with  lasers  

receive  educaAon  and  training    •  Currently  no  standard  educaAon  program  •  Recommend  combinaAon  of  lecture  and  hands-­‐on  

experience  that  covers  the  following:  –  Laser  physics  –  Laser  operaAon  –  Laser  classificaAon  –  Biological  effects  –  Beam  and  nonbeam  hazards  –  Control  and  protecAon  measures  –  IndicaAon  and  contraindicaAons  for  treatment  

Regulatory  Issues  Regarding  Laser  Procedure  DelegaAon  

•  Does  your  state  have  laws  governing  the  ownership,  registraAon  and  use  of  laser  devices?  

•  Under  which  malpracAce/liability  will  the  treatment  provider  pracAce?  

•  Who  can  perform  laser  procedures  in  your  state?  •  What  educaAon  &  training  is  required?  •  Are  there  any  supervision  or  protocols  that  need  to  be  implemented?  

Laser  Safety  Officer  

•  Ensures  laser  safety  standards  and  protocols  are  followed  

•  ResponsibiliAes  include:  –  Developing  standard  operaAng  procedures  – Maintain  wriWen  laser  safety  manual  – Maintain  service  records  of  devices  –  Train  staff  in  laser  safety  –  Comply  with  all  regulatory  bodies  –  Know  laser  hazards  and  control  measures  – Maintain  records  of  all  laser  incidents/accidents