Despre aplicatiile militare ale laserilor

si protectia laser

Asist.univ. Simona Miclaus

Inca de la aparitia laserilor, in 1960, se prefigura interesul pentru aplicatiile acestora in domeniul militar. Primul laser - laserul cu rubin - a fost realizat intr-un laborator ce apartinea firmei „Hughes Aircraft Company", cea mai mare companie de electronica pentru aparare din SUA. Primul contract militar de aplicare a laserilor dateaza din 1965 in SUA.
In prezent, aplicabilitatea laserilor cu corp solid, cu gaz si chimici merge de la sistemele tactice pana la cele strategice.
Puterea unui laser in regim continuu necesara pentru a distruge un blindaj cu grosimea de 40 mm, aflat pe un vehicul in zbor la o altitudine de 50 km, in timp de un minut, tinand seama de conditiile atmosferice s-a calculat a fi de 160 MW. Cand s-a prevazut acest lucru, cu 35 de ani in urma, era necesara o crestere a puterii laserilor cu 5 ordine de marime, iar astazi acest lucru este pe cale de a se realiza. Nu trebuie insa neglijat faptul ca insasi distrugerea partiala este de multe ori suficienta, iar in cazul rachetelor purtatoare ajunge distrugerea sistemelor de ghidaj.
Rezultatele obtinute in aprilie 1968, cand cu ajutorul unui fascicul laser s-a reusit doborarea unui avion tinta au fost hotaratoare privind creditarea laserilor pentru aplicatii militare. A urmat o alta supozitie: posibilitatea declansarii bombei cu hidrogen cu ajutorul laserilor cu corp solid.
Ponderea aplicatiilor militare ale laserilor a castigat teren rapid, asa incat cheltuielile cu cercetarea laser ale Departamentului Apararii al SUA - spre exemplu - au crescut de la 100 de milioane de dolari in perioada 1960-1967, la 118 milioane numai in anul 1970, la 126 de milioane in anul 1975, iar in perioada anilor ‘90 s-au cheltuit peste un miliard de dolari. In 1969 ponderea aplicatiilor militare ale laserilor era de 65% fata de 35% pentru aplicatii civile.

1. Aplicatii tactice

Telemetria laser (masurarea distantelor) permite determinarea cu o precizie foarte mare a pozitiei unei tinte. In cadrul programului Apollo-11 s-a reusit determinarea distantei Pamant-Luna. In prezent exista telemetre laser sol-sol, sol-aer, aer-aer si aer-sol.
Locatoarele optice folosesc ca surse in special laserii si acestea se bazeaza pe utilizarea regiunii optice a spectrului undelor electromagnetice. Locatoarele laser sunt capabile sa localizeze avioane, tancuri si submarine.
Iluminatoarele si sistemele de ghidare a proiectilelor sunt utilizate in cazul distantelor scurte. Aparatul ilumineaza tinta, care este identificata si lovita cu un proiectil racheta lansat pe fasciculul infrarosu reflectat de tinta iradiata. Firma General Dynamics a demonstrat ca se poate lovi o tinta cu aria de 1 m²dd² cu o racheta ghidata pe fascicul laser infrarosu emis de catre o celula GaAs. Firmele Philco Ford, Westinghouse si Texas Instruments produc astfel de aparate, iar firma North America Rockell Corp produce laserii cu GaAs folositi pentru ghidarea rachetei Bullpup.
Ca arme de ghidaj cu laser exista mai multe sisteme, dintre care amintim: Paveway (Texas Instruments) si Pave Storm (Goodyear; Texas Instruments) pentru bombe, CLGP (Martin; Texas Instruments) pentru artilerie, Hellfire, Maverick (Hughes), Bulldoy (Texas Instruments) si Honest John pentru ghidaj aer-sol. Cele mai bune dispozitive de localizare a obiectivului sunt Pave Arrow (Martin), Pave Sword (Martin) si Pave Penny (Martin).
Alte aplicatii tactice ale laserilor sunt: recunoasterea pe timp de noapte, observarea satelitilor, traiectografe si sisteme de control al zborului, sisteme multimodale (sisteme laser cuplate cu dispozitive de televiziune pentru zborul paralel razant cu pamantul), simulatorul de tragere, arma antipersoana, comunicatii secrete la mica distanta, protectia bazelor militare.
Aviatia, marina si fortele terestre sunt la fel de interesate in utilizarea laserilor.

2. Aplicatii strategice

Exista trei domenii de aplicatii strategice considerate ca fiind deosebit de importante: apararea antiracheta, declansarea bombei cu hidrogen si prelucrarea informatiei.
Bugetul multor tari dezvoltate este indreptat catre realizarea si imbunatatirea parametrilor de lucru ai laserilor de mare putere. In S.U.A. inca din anii ‘90 au fost experimentati laserii contra avioanelor tinta. Fuziunea nucleara intra in proiectele noilor bombe cu hidrogen. Armele laser mobile destinate sa distruga rachete si avioane pentru a proteja trupele terestre sunt si ele o realitate. La inceputul anilor ‘90 un astfel de prototip se experimenta la Arsenalul Redstone din Alabama, pentru inzestrarea trupelor terestre ale S.U.A..
Prelucrarea optica a informatiei sporeste imens posibilitatile computerelor. Memoriile optice, modulatia de cod impulsuri, ghidurile de lumina etc. - reprezentau inca din anii ‘90 domenii de cercetare pentru sistemele complexe de aparare. In aceeasi perioada sistemul de contramasuri optoelectronic bazat pe utilizarea laserilor cu corp solid era in plina evolutie, si clasificat in tari precum S.U.A., Federatia Rusa, Franta si Marea Britanie.
De mare interes sunt in prezent laserii chimici, care sunt alimentati de energia uriasa a flacarii sau a detonantilor, si in volume mici se pot declansa impulsuri laser extrem de energice, sau emisii laser in regim continuu de foarte mare putere cat si laserii cu corp solid dielectric (sticla dopata cu Nd, YAG dopat cu Nd).
>Aplicatiile indirecte ale laserilor, prin intermediul holografiei permit condensarea documentelor de stat major pe microfilme nedecriptabile, recunoasterea formelor de teren si a schimbarii detaliilor prin cercetarea aerofotogrammetrica cu utilizarea hologramelor, fotogrametria geodezica, controlul stabilitatii gurilor de foc, actiunea agentilor de coroziune asupra tehnicii militare etc.
3. Pericolul laser pentru factorul uman
Odata cu raspandirea aplicatiilor laserilor, in ciuda maturizarii tehnologiei de constructie a acestora, utilizatorii laser pot suferi accidente serioase. Aceste accidente pot fi urmarea unuia dintre urmatoarele evenimente:
- expunerea accidentala a ochiului, rezultand pierderea functionala a vederii, fie temporara, fie permanenta;
- expunerea accidentala a pielii, rezultand arsuri si efecte fotochimice;
- aprinderea unor materiale, producerea de incendii etc.
- expunerea la tensiuni inalte, care pot produce arsuri sau pot fi letale;
- raniri involuntare, datorate necunoasterii echipamentului si a efectelor sale, defectarea echipamentului, incendii severe si embolie gazoasa;
- inhalarea unor contaminanti gazosi generati de laser;
- expunerea oculara la flash-uri luminoase si la plasma generata cu laser la nivele care produc degradarea vederii.
Conform statisticilor, accidentele oculare cele mai grave s-au datorat utilizarii neconforme a laserilor din categoriile: Nd:YAG, argon, colorant, rubin si He-Ne. Din statistici se constata ca personalul militar cel mai expus accidentelor laser include urmatoarele categorii: personalul din cercetare, tehnicienii, pilotii militari si personalul de service.
Riscurile asociate radiatie laser:

• riscuri pentru ochi> in domeniul vizibil (400-700 nm) si in IR apropiat (700-1400 nm) corneea si cristalinul sunt transparente si radiatia laser atinge retina. In IR, intre 780 si 1400 nm retina este vulnerabila. Pierderea transparentei cristalinului este un alt pericol, si poate interveni la expuneri repetate sau prelungite. In domeniul 1400-3000 nm distrugerile majore se produc prin leziuni de tip ardere pe cornee. Astfel de leziuni pot apare si pe domeniul spectral 3m m-1mm. Cat priveste distrugerile retiniene, ele apar datorita fenomenului de focalizare a radiatiei pe distanta cornee-retina, focalizare ce face ca raportul cresterii iradiantei la nivelul retinei sa fie aproximativ egal cu raportul intre aria pupilei si aria imaginii pe retina. Concret, pupila este o apertura variabila, diametrul maxim putand atinge 7 mm pentru un ochi tanar, cu pupila dilatata la maximum. Imaginea pe retina corespunzatoare unei astfel de pupile va avea un diametru de 10-20 m m. In acest fel, cresterea iradiantei intre cornee si retina este de 2x10⁵-5x10⁵ ori. Astfel, la o radianta pe cornee de 50 W/m² corespunde o iradianta pe retina de 2.5x10⁷ W/m². Daca un fascicul laser intens este focalizat pe retina, numai o mica parte (cca. 5%) este absorbita de senzorii vizuali, restul fiind absorbita de melanina din epiteliul pigmentar retinian. Energia absorbita va cauza incalzirea locala si va arde atat epiteliul, cat si conurile si bastonasele adiacente, sensibile la lumina. Aceasta arsura poate conduce la pierderea vederii (distrugerea termica a retinei), care in functie de intensitatea expunerii, poate fi permanenta sau temporara. Scaderea capacitatii de vedere poate aparea mai intai ca o pata alba care umbreste zona centrala a vederii, si care se poate transforma intr-o pata neagra in decurs de 2 saptamani. In domeniul spectral UV, pentru radiatii cu lungimi de unda intre 200-315 nm, apar iritatii ale conjunctivei si corneei similare cu cele produse de sudura cu arc. Intre 315-400 nm poate interveni pierderea transparentei cristalinului la expuneri repetate sau prelungite. Alte efecte oculare datorate iradierii laser pot fi: fotokeratita, cataracta fotochimica si distrugerea fotochimica a retinei. Pentru anularea oricaror riscuri, este bine sa fie evitata deasemenea orice reflexie accidentala a fasciculelor laser catre ochi.

• riscuri pentru piele: in cazul laserilor in vizibil si IR aceste riscuri apar la expuneri mult mai mari decat cele periculoase pentru ochi; leziunile cutanate se manifesta sub forma de eritem, inrosire, senzatie de usturime, arderi si carbonizare in profunzime, accelerarea proceselor de imbatranire a pielii, pigmentatie marita, innegrirea pigmentilor, reactii fotosensibile. Tesuturile cu absorbtie mare pot prezenta arsuri superficiale de culoare gri, in cazul utilizarii laserilor in impulsuri scurte de mare putere. Pentru laserii ce emit in UV, inrosirea si arderea pielii pot apare tardiv (ca la insolatie); in domeniul spectral 315-400 nm, in plus fata de arsuri, pot apare excitari ale pielii pigmentate. Riscul inducerii cancerului prin radiatie UV este considerabil. Pragul de producere a arsurilor pe piele este de cativa J/cm². In functie de lungimea de unda, durata impulsului si puterea lui, arsurile produse pot fi superficiale sau profunde.

• riscuri pentru incendii: arsuri ale pielii cu consecinte tragice pot apare si datorita aprinderii hainelor; aceste efecte pot interveni in cazul expunerii la fascicule laser in unda continua, cu puteri de peste 0.5 W. Fasciculul laser poate aprinde materiale inflamabile, si indirect pot conduce la arsuri personale.

• riscuri electrice: electrocutarea poate fi mortala. Majoritatea surselor de alimentare a laserilor utilizeaza tensiuni inalte (kV sau zeci de kV). Bancurile de condensatori pot ramane incarcate chiar si cand alimentarea electrica a surselor este oprita. Severitatea unui soc electric depinde de intensitatea curentului ce parcurge corpul uman. Curentul depinde de starea pielii (umeda sau uscata) si de punctele de contact. Rezistenta electrica a pielii poate varia intre 100W (piele umeda) si peste 500 kW (piele uscata). Efectele scurgerii curentului prin organism sunt urmatoarele:

• mai mica de 10mA: senzatie usoara, nedureroasa, fara pierderea controlului muscular;
• 20 mA: senzatie dureroasa;
• 75 mA: respiratia inceteaza;
• 100 mA: arsuri ale pielii si fibrilatie ventriculara.

Aceste praguri sunt mai mari pentru curentul continuu decat pentru cel alternativ (50Hz). Totusi pentru tensiuni la frecvente de 10kHz, pragurile de curenti sunt mai mari decat in cazul tensiunilor continue.

• riscuri chimice: sunt legate de coloranti si solventi, de distrugerea materialelor optice si a tintelor si de ozon. Colorantii sunt compusi organici complecsi. Ei se pot descompune prin incalzire in substante toxice: oxizi de carbon, de azot, acid clorhidric si acid fluorhidric. Cel mai mare risc este capacitatea mutagenica sau cancerigena a unor substante, indiferent de modul de contact (inhalare, ingerare, penetrare cutanata etc.). Componentele optice (lentile, oglinzi, ferestre, cristale) pot fi descompuse de fasciculele laser, fiind capabile sa produca aerosoli sau vapori toxici. Ozonul este un iritant puternic pentru tractul respirator; el este produs de anumite tipuri de laseri care utilizeaza sau genereaza radiatie UV intensa.
• riscuri la raze X: tensiunile inalte (> 5kV) utilizate in sursele de alimentare a laserilor pot genera radiatii X.


• riscuri pentru auz: descarcarile in laseri sau strapungerea optica a fasciculelor focalizate pot produce zgomote foarte intense (>80dB).



• riscuri legate de reactiile explozive induse de laser si de norul de fum.

4. Clase de laseri si standardizare
Institutul Roman de Standardizare a preluat in 1996 standardul european al CENELEC din 1993 cu referire la securitatea aparatelor laser. Standardul roman SR EN 60 825-1 imparte laserii in 4 clase dupa riscurile asociate in functie de lungimea de unda, durata de emisie si puterea sau energia emisa. Standardul stabileste limite precise ale puterii si energiei pentru fiecare clasa de laseri, sub forma unor tabele, in functie de lungimea de unda si durata de emisie a laserului.
Clasa 1 (fara riscuri cunoscute): sunt laserii ai caror parametri de functionare nu implica pericole in urma expunerii, si au puteri in unda continua < 0.39 m W.
Clasa 2 include laserii ce emit radiatie vizibila in domeniul 400…700 nm, cu puteri in unda continua (t > 0.25 s) mai mici de 1mW, dar mai mari de 0.39 m W. Laserii din aceasta clasa nu prezinta risc de incendiu, iar radiatia lor imprastiata nu este periculoasa. Ochiul este protejat de leziuni numai daca functioneaza reactia defensiva la lumina orbitoare, adica reflexul de clipire. Acest reflex apare la persoanele normale cu o intarziere de 0.25 s.
Clasa 3 (risc coborat si moderat) contine laserii a caror risc de incendiu este scazut iar expunerea de scurta durata a pielii nu este insotita de distrugeri. Clasa 3 este divizata in 2 subclase:
- clasa 3A (risc coborat): radiatia in spectrul vizibil a laserilor are puteri in unda continua ce nu depasesc 5mW, iar pentru laserii in impulsuri repetitive sau cu fascicul scanat limita de putere este de 5 ori mai mare fata de cea a laserilor de clasa 2; iradianta in orice punct al fasciculului laser nu depaseste 25 mW/m²; pentru laserii ce emit inafara spectrului vizibil, radiatia nu trebuie sa depaseasca de 5 ori limitele clasei 1;
- clasa 3B (risc moderat): privirea direct in fascicul este totdeauna periculoasa; laserii in unda continua nu depasesc puterea de 0.5W, iar expunerea radianta a laserilor in impulsuri trebuie sa fie mai mica de 10⁵ J/m². Reflexiile difuze nu prezinta risc daca distanta minima de privire depaseste 13 cm, iar timpul maxim de privire este sub 10s.
Clasa 4 (risc inalt): este clasa in care se incadreaza laserii de putere mare, care prezinta risc biologic prin expunerea la radiatia directa si difuza.
Expunerea maxima permisa poate fi determinata pentru diverse situatii concrete utilizand programe de calcul specializate.
In standardele de expunere se utilizeaza 2 termeni de referinta:
® limita de emisie accesibila (AEL-accesible emission limit) = nivelul maxim de emisie accesibila permis pentru o anumita clasa de laseri;
® expunerea maxima permisa (MPE - maximum permissible exposure) = nivelul radiatiei la care poate fi expus omul, fara a suferi efecte nedorite; in principiu organele sensibile sunt ochiul si pielea, care nu trebuie sa sufere raniri sau alterari imediate sau tardive. Aceste niveluri depind de lungimea de unda a radiatiei, de durata impulsului sau timpul de expunere, de tesutul expus si de dimensiunea imaginii pe retina pentru radiatia din vizibil si infrarosu apropiat (400-1400 nm).
5. Protectia laser
Ochelarii de protectie reprezinta mijlocul principal impotriva accidentelor produse de fasciculele directe sau reflectate. Sticla obisnuita protejeaza ochiul numai impotriva lungimilor de unda mai scurte de cca. 300 nm si mai lungi de cca. 2700 nm. Regiunea spectrala dintre cele 2 limite trebuie acoperita utilizand filtre optice speciale. Exista o larga varietate de ochelari de protectie, iar ei au inscrise lungimile de unda pentru care se aplica si densitatile optice corespunzatoare acestor lungimi.
Ochelarii folositi in protectia laser sunt caracterizati de urmatorii parametri:

• lungimea de unda sau domeniul spectral la care pot fi folositi;

LI>expunerea radianta accesibila maxima sau iradianta maxima;

• expunerea maxima permisa;


• densitatea optica necesara a ochelarilor la o anumita lungime de unda;


• cerintele de transmisie a luminii vizibile;


• expunerea radianta sau iradianta la care are loc distrugerea ochelarilor;


• necesitatea unor lentile de vedere;


• confortul si ventilatia;


• degradarea sau modificarea mediilor absorbante, chiar daca este temporara sau tranzitorie;


• rezistenta mecanica a materialelor;


• cerintele de vedere laterala;


• orice reglementare nationala relevanta.


De exemplu ochelarii din plastic transparent realizati din policarbonat sunt adecvati pentru protectia in cazul utilizarii laserului cu CO₂, dar trebuie marcati pentru densitatea optica corespunzatoare. Ei pot fi folositi pana la puteri de 100 W, probabilitatea de strapungere prin ardere fiind redusa, deoarece purtatorul lor va reactiona intr-un timp de 1s dupa ce a detectat flama pe suprafata lentilei.
Echipament de protectie special: este destinat personalului din cercetare, intretinere, si in general personalului expus la radiatie laserilor din clasa 4.


6. Recomandari

Luand in considerare riscul laser, si in Romania exista reglementari si norme generale de protectia muncii cu privire la laseri. Acestea sunt specificate in „Norme Generale de Protectie a Muncii", si fac referiri concrete la:

- valorile maxime admise ale expunerii energetice/iluminarii energetice la nivelul corneei pentru expunerea oculara directa;
- valorile maxime admise ale expunerii energetice/iluminarii energetice a ochilor la reflexii difuze ale fasciculelor laser sau la surse laser extinse;
- unghiurile limita ale surselor extinse;
- valorile maxime admise ale expunerii energetice/iluminarii energetice a pielii.
Exista de asemenea un set de norme specifice de securitate a muncii in cazul radiatiilor vizibile cu referire speciala la laser, editate intr-o culegere a Ministerului Apararii Nationale din Romania.


Bibliografie

1. Popescu I. M., Preda A. M., Tudorache St., Cristescu C. P., Cone G., Sterian P. E., Lupascu A. I. – Aplicatii ale laserilor, Editura Tehnica, Bucuresti, 1979.

2. Revue Internationale de Defense, colectia 1974-1990.

3. Popescu I. M. – Fizica si ingineria maserilor si laserilor, partea a II a, Universitatea de Ştiinte Ingineresti „Politehnica" din Bucuresti, Catedra de Fizica, Bucuresti, 1992.

4. Dumitras D. C. – Biofotonica, Editura All, Bucuresti, 1999.

5. Rockwell J. – Laser accidents: reviewing 30 years of incidents: what are the concerns - old and new?, Journal of Laser Applications, 6:203-211, 1994.

6. Norme Generale de Protectie a Muncii, Ministerul Muncii si Protectiei Sociale, Ministerul Sanatatii, Bucuresti, 1996.

7. Culegere de Norme Specifice de Securitate a Muncii, Ministerul Apararii Nationale, Bucuresti, 1997.

 

Inapoi la cuprins