sivulogo.png

Lasersäteilyn tarkastelu

Laser on valoa,

joka koostuu täsmällisestä yhden valotaajuuden värähtelystä ja aaltojen kerrostumisesta vahvistaen itse itseään. Showlasereissa käytetään yleisimmin kolmesta neljään eri puolijohdelaseria (päävärit) tuottamaan tarvittavan valospektrin. Jokainen värisävy on oma aallonpituutensa.

Haluttu väritasapaino saadaan käyttämällä tyypillisesti RGB tai RGBC/RGBY värejä erilaisin yhdistelmin. Eri aallonpituutta tuottavat laserit kootaan yhteen optiikalla ja näin saavutetaan valkoinen lasersäde. Värejä moduloimalla, eli himmentämällä, saadaan periaatteessa mikä tahansa sävy aikaiseksi.

Yleisimmät valon sävyt eli aallonpituudet showlasereissa: Punainen 637nm (Näkyvin, joskin oranssiin taittava sävy)

Punainen 650nm (Melko yleinen sävy) Punainen 680nm (Tumma) Vihreä 520nm (Tällä hetkellä nopeinta kehitystä nauttiva puolijohteen sävy) Vihreä 532nm (Vanhemmissa pro ja halvemmissa kiina laitteissa käytetty DPSS) Sininen 445-450nm (Yleisin ns. royal blue sävy)

Lisäksi harvinaisemmat Cyan 480nm (High-End lasereissa väritasapainoa parantava lisä) Keltainen (((( 577nm (High-End lasereissa, värikarttaa ja kokonaiskirkkautta lisäävä väri)

Ihmisen silmä erottaa valon väreistä vihreän parhaiten, mutta se ei tarkoita sitä, että se mitä et näe, ei olisi vaarallista. On olemassa myös näkökyvyn ulkopuolella tapahtuvaa lasersäteilyä (tiede, teollisuus, kauneudenhoito yms.) (Lue artikkeli keskittyen showlasereiden laserlähteisiin tästä.)

Showlaserin teho

Teho ilmoitetaan useimmiten optiikan jälkeen mitattuna (AR) Accessible Radiation.  Showlaserin AR-arvo kertoo kuinka paljon säteilyenergiaa laite päästää maksimissaan ulos. Tämä arvo kertoo myös sen, mihin laserluokkaan laite luokitellaan. Kaikki yleisöesityksissä käytettävät laserit kuuluvat vaarallisuusluokkaan 4. Teholuokalla 4 ei ole ylärajaa, mutta alarajana on >500mW. Luokan 4 showlaserit voivat aiheuttaa / aiheuttavat palo- ja silmävaurioita väärinkäytettynä! Showlasereiden käyttöä yleisöesityksissä valvoo Suomessa STUK, eli säteilyturvakeskus. Laitteiden käytöllä, asennuksilla ja ympäristötekijöillä on omat ohjeistuksensa.

Moni varmasti kysyisi jo tässä vaiheessa kysymyksen: Kuinka kuuma yksi lasersäde on? Lasersäde ei sisällä lämpöä. Se on valoenergiaa, joka on säännöllistä ja kerrostunutta yhden aallonpituuden värähtelyä, jossa kaikki aallot kulkevat samassa vaiheessa (Phase). Lasersäteen sisältämä energia purkaantuu osuessaan johonkin materiaaliin ja tässä vaiheessa syntyy lämpöä. Valoaaltojen liike-energia muuntautuu lämpöenergiaksi, eli termiseksi energiaksi materiaalin ominaisuuksien rajoissa. Yksittäisen säteen tuottamaa lämpöä on hieman hankalampi laskea, sillä siihen vaikuttaa seuraavat asiat:

  • Kuinka pienelle alueelle säde kohdistuu?

  • Mikä on materiaalin lämmönjohtamiskyky?

  • Kuinka paljon energiaa materiaali heijastaa pois?

  • Mikä on materiaalin absorboivan aineen määrä? (Beerin ja Lambertin laki)

  • Mikä on materiaalin ominaislämpö, eli kyky varastoida lämpöenergiaa?

  • Mikä on materiaalin lämpödiffuusio, eli kuinka nopeasti se voi muuttaa lämpötilaansa?

  • Altistumisaika

Tähän kysymykseen ei ole suoraviivaista vastausta, mutta jos laitat muutaman watin showlaserin säteeseen kätesi niin varmasti sattuu ja poltat itsellesi palovamman! Teollisuudessa pulssilaserit tuottavat suuritehoisia erittäin tarkoiksi kohdistettuja laser-ryppäitä (PW) joiden tarkoituksena on saada aikaan materiaalin leikkautumista. Pulssilaserit ovat ehdottoman kiellettyjä showlaser toiminnassa!

Lasershown turvallisuus

Oikeaoppisesti suoritettu lasershow on yleisölle täysin vaaraton. Tarkkojen turvallisuusmääräysten takia ei suoraa kontaktia lasersäteilyn ja yleisön välille pääse syntymään, vaikka tämä sinänsä aiheuttaa suurta päänvaivaa näyttävän shown rakentamiselle. Luokan 4 showlasereihin kohdistettu hiukan liian tiukka ohjeistus ei anna armoa, vaikka toki se estää vahingot käyttäjältä, joka ei laitteistoa, saati säteilyn vaaroista mitään ymmärrä. Hyvä niin! Liikaa näkee huolimatonta käyttöä esim. YouTubessa.

Showlasereissa säteilyn kulku on niin monimuotoista, ettei sitä pitäisi mielestäni suoraan rinnastaa muihin vaarallisiin laserlaitteisiin. Henkilökohtaisesti odottelen sitä päivää kun joku oikea asiantuntijaryhmä saa aikaiseksi muutosta, koskien showlasereita. Laserin teho (AR), eli linssistä yhtenä pisteenä ulostuleva energia ei modulaatioiden ja nopeiden skannattujen liikkeiden jälkeen ole enää sama asia.  Suurin virhe showlasereita koskevassa lainsäädännössä (mm. IEC 60825-1) on tarkastella vain laitteiston AR arvoja, sillä se ei ole sama asia mitattuna lasershown katseluetäisyydeltä. Jokainen lasershow laitteistoineen on toki aina eri asia ja vaatii aina perinpohjaista arviointia tapahtumakohtaisesti. Ihmiselle suurin sallittu altistus eli MPE (Maximum Permissible Exposure) on yleensä laserluokka 2, eli maksimissaan 1mW ja joissakin tapauksissa laserluokka 3R, eli 5mW. Nämä tehot eivät aiheuta nopeita vahinkoja esimerkiksi näkökykyyn. Ihmisen silmä reagoi ärsykkeisiin erittäin nopeasti. Silmän räpäytys on noin 1/4 sekunttia. MPE arvo on 1/4 sekunnille suoraan altistumiseen 2,54 milliwattia neliösenttimetriä kohti.

Laskukaavoja

Suora lasersäteily on vaarallista, mutta asiaan on olemassa monia laskukaavoja ja raja-arvoja. Tarkastellessa normaalia RGB-laseria on tiedettävä sen eri laserlähteiden ja niiden optiikan, sekä koko laitteiston tarkkoja tietoja. Showlasereissa laserlähteet tuottavat jatkuvaa säteilyä (CW = Continous Wave), joka tarkoittaa energiamäärältään tasaista valoaaltoa. Tiedossasi täytyy olla eri värien tarkka teho, hajonta ja aallonpituus, kun haluat selvittää mitä ja miten laitteistoa periaatteessa (toistaiseksi ei käytännössä) pystyisi käyttämään.

Teho/Output Power (AR): Mitä kirkkaampi säde, sitä vaarallisempi. Ilmoitetaan milliwatteina eli mW. Hajonta/Divergence: Mitä kapeampi ja tasaisempi säde, sitä vaarallisempi. Ilmoitetaan milliradianseina eli MRAD. Jos lasersäteen mrad arvoksi kerrotaan esimerkiksi 2mrad, tarkoittaa se sitä, että lasersäteen halkaisija kasvaa 2mm jokaista sen kulkemaa metriä kohden.

Aallonpituus/Color: Vihreä sävy erottuu ihmis-silmin herkemmin. Punainen ja Sininen ovat enemmän sidoksissa tehoon ja säteen hajontaan. Aallonpituus ilmoitetaan nanometreina, eli nm. Yksi nanometri on miljardisosa metristä.

Jokainen eri näkyvän valon aallonpituus eli väri on luokiteltu omilla arvoillaan (FAA Visual Correction Factors), jotka kertovat kuinka voimakkaasti ihmissilmä ne erottaa. Showlasereiden näkökulmasta näitä arvoja voidaan hyödyntää laskiessa värien kykyä aiheittaa salamasokeutta ja jälkikuvia. Koska vihreä (555nm) on parhaiten silmällä erotettava väri on sitä usein hyvä pitää laskennassa oletusarvona kaikille muillekkin väreille. VCF-arvo vihreälle 555nm aallonpituudelle on 1.



VCF arvot tyypilliselle RGB-laserille ovat:

Vihreä 520nm : 0.7092 Punainen 650nm : 0.1070 Sininen 445n,m : 0.0305 Vihreämmät sävyt ovat siis huomattavasti korkeammat arvoltaan.

Lasersäde laajenee, eli hajoaa mitä pidemmälle se kulkee. MRAD arvo kertoo lasersäteen hajoamista, eli ns. valokiilan laajentumisesta. Mitä pienempi tämä arvo on, sitä tarkempi, kauniimpi, vaarallisempi ja pidemmälle kantava yksittäinen lasersäde on. Tarkastellessa lasereiden turvallisuusluokkia voimme todeta, että esimerkiksi luokka 2, eli 1mW ei enää aiheuta silmävauriota. Ihmisen silmässä pupilli voi valaistuksesta riippuen olla 1,5mm - 8mm kokoinen. Jos esimerkiksi laserlaitteiston tuottama säteily on suorana säteenä ulostullessaan noin 4-6mm halkaisijaltaan ja teho on esimerkiksi 3000mW, on silmän sokeutuminen lähietäisyydeltä varmaa. Mutta miltä etäisyydeltä suora säde esimerkin laitteesta voisi olla turvallista?  Tietyn etäisyyden kuljettua säde on hajonnut tarpeeksi suureksi alueeksi (kuvittele taskulamppu) ja silloin laserin säteen energia on tippunut arvoltaan "turvalliseksi" MPE. Tätä etäisyyden matkaa kutsutaan termillä Nominal Ocular Hazard Distance (NOHD) ja sen pystyy suorassa säteessä laskemaan, kun tiedetään laitteiston teho, aallonpituus ja hajonta. NOHD on nimellinen vaaraetäisyys, ei varsinainen vaaraetäisyys. NOHD aluella silmävammat ovat siis vielä mahdollisia. Kuitenkin on hyvä muistaa, että varsinkin showlasereiden keskuudessa (scanned & modulated beams) noin 90% tästä alueesta on häikäystymistä mikä ei välttämättä enää aiheuta vakavaa tai pysyvää vauriota. Esimerkki: Showlaserina on 3000mW RGB laite. Halutaan täysi valkoinen lasersäde. Teho on silloin 3000mW, VCF on oletusarvoisesti korkein eli 1, hajonnaksi on ilmoitettu 1,5 mrad ja säteen halkaisijaksi ulostulossa 4mm.   NOHD-arvo on silloin suorana säteenä silmään 258.1 metriä! Eli etäisyys on siis melko pitkä! Mutta muista; tämä on yksi suora säde silmään ja skenaario, jollaista ei luonnollisesti kunnollisessa lasershowssa pääse syntymään! 

ED50 turva-etäisyys ED50 on etäisyys, jossa on 50/50 mahdollisuus saada täysin suorasta lasersäteestä väliaikainen, lääketieteellisesti todistettava, silmävamma verkkokalvolle, joka ei aiheuta pysyvää vauriota. Tämä etäisyys olisi esimerkin laserissa 82 metriä ja tarkoittaa siis sitä, että säde kohdistetaan suoraan laitteesta paikalla pysyvään silmään. ED50 etäisyydellä laserin energia on 10-kertaa suurempi kuin MPE-etäisyydellä. ED50 etäisyys on noin 1/3 MPE etäisyydestä ja se on laskettavissa valon käänteisen neliön lailla. ED50 altistuminen on 25,4 mW  neliösenttimetrille ajalla 0,25 sekunttia. "Käänteisen neliön lailla tarkoitetaan relaatiota, missä x on suhteessa y:n neliön käänteisarvoon, x ~ 1/y^2. Lakia noudattavat esimerkiksi gravitaatiolaki, Coulombin voima kahden varauksen välillä ja pallomaisen säteilylähteen säteilyn vaimeneminen etäisyyden funktiona." Wikipedia Nimitys ED (effective dose) tulee lääketieteestä, jossa 50% henkilöistä saa vaikutuksia. Laser piireissä ED50 on määritelty 10 kertaa "liian" voimakkaaksi, jotta turvallisuusmarginaalia on saatu lisättyä. ED50 = 25,4 mW / cm2

Onko aallonpituuksilla merkitystä?

Näkyvissä lasereissa aallonpituus, eli väri ei vaikuta silmävaurion riskiin, ihovammaan tai tulipalovaaraan (NOHD). Mutta aallonpituus vaikuttaa visuaalisten häiriöiden turva-etäisyyksiin. Ihmissilmä on herkin vihreälle valolle aallonpituudella 555 nanometriä (katso ylempää VCF arvot). Showlaser, joka on varustettu vihreällä 520nm laserilla näkyy silmälle vain noin 87% niin kirkkaalta mitä 555nm on. Jos oletetaan, että laitteessa on täsmälleen samantehoiset ja hajonnaltaan samanlaiset laserit myös punaiselle ja siniselle sävylle, voimme päätellä etäisyyksiä lisää. Punainen jonka aallonpituus on 635nm näyttää ko. vihreän rinnalla vain 27% yhtä kirkkaalta (laskettu prosentuaalisesti VCF arvot). Vihreä laser näkyy siis noin 4 kertaa kirkkaampana kuin 635nm laser. Samaan vihreään verrattuna sininen 445nm aallonpituus ilmenee vain 3,5% yhtä kirkkaana, eli vihreä näkyy jopa 29% kirkkaampana. Kun halutaan laskea visuaalisten häiriöiden etäisyys käytetään neliöjuurta. Vihreä ilmenee 4 kertaa kirkkaampana kuin punainen eli neliöjuureen 4 on 2. Häiriöetäisyys on kaksi kertaa punaisen etäisyys. Vastaavasti vihreän häiriöetäisyys on 5,4 kertaa pidempi kuin sinisellä, sillä 29 on 5.4. Koska ylläolevassa laserissa oli kolme teholtaan ja hajonnaltaan samanlaista, mutta eri aallonpituudella toimivaa laseria, on näiden NOHD-arvo sama. Allonpituus vaikuttaa vain visuaalisten häiriöiden etäisyyksiin. Visuaalisina häiriöinä pidetään esimerkiksi häikäistymistä, salamasokeutta ja jälkikuvaa. Tällaiset väliaikaiset vammat ovat osaltaan verkkokalvon ja silmien luonnollista reagointia, esimerkiksi kirkkaan kameran salaman välähdyksen jälkeen. Tällaiset pienet vammat häviävät tyypillisesti muutamassa minuutissa. Hiukan vakavemmat vammat kuten jälkikuvat, ovat verkkokalvon pieniä palovammoja, mutta nekin paranevat usein muutamassa viikossa samaan tapaan kuten ihon pienet vammat. Näitä ei luokitella suoranaisesti vielä näkövammoiksi. Vakavia silmävammoja on pahat verkkokalvon palovammat, näön pysyvä heikentyminen ja sokeus.

"Three shows over the past decades have stupidly and illegally scanned pulsed lasers into audiences. This caused approximately 50 total injuries in the three incidents. However, all responsible laserists know that they must never use pulsed-type lasers for audience scanning." http://www.laserpointersafety.com

Päättelyä

Ihmisen silmän reagointiajaksi on määritelty 1/4 sekunttia. Silmän räpsyminen on luonnollinen refleksi suojaamaan silmää ja tämä reaktio tapahtuu aivoissamme sadasosasekunnissa esimerkiksi kovan äänen tai kirkkaan valon kohdistuessa.

Suora CW lasersäde voi siis esimerkin tapauksessa periaatteessa kodistua silmään "turvallisesti" MPE ~2,5mW/cm2 260 metrin etäisyydeltä 0,25 sekunnin ajan. MUTTA, kyseessä on lasershow ja käyttäjänä ammattitaitoinen henkilö noudattaen turvallisuusmääräyksiä, ei mitään tällaista pääse käymään.

MUTTA, kun kyseessä on lasershow voisi yleisö periaatteessa turvallisesti myös nauttia kosketuksesta laseriin ns. audience scanning eli yleisön skannaukseksi kutsutulla efektillä ja sen variaatioilla.

Lasershowta ohjelmoidessa, varsinkin sisätiloihin, käytetään paljon erilaisia safety zoneja, eli alueita minne laser ei kulkeudu. Turva-alueille voidaan määritellä myös lasertehon himmentymistä (analogiset laserit). Jos turva-alue määritellään yleisötasolle, voi tehon laskea vaikka vain muutamaan prosenttiin. Lisäksi ohjemoinnissa terävät säteet jätetään pois yleisötasolla tapahtuvasta toiminnasta ja laitteissa pidetään scan-fail ominaisuutta päällä, joilloin yksittäistä sädettä ei pääse syntymään edes vahingossa. Etukäteen perehtymällä näytöstilaan ja etäisyyksiin ei olisi vaikea laskea mikä on turvallista ja mikä ei. Turvallisuusmarginaaleja reilusti korostamallakin showlaserin siis periaatteessa voisi antaa kulkeutua yleisön joukkoon. Tätä shown piirrettä on nähtävillä paljolti muualla Euroopassa ja allekirjoittaneellakin on näistä kokemusta (mm. Defqon1 Festivaali, Hollanti). Koko tilan täyttävä lasershow on paljon hätkähdyttävämpi kokemus, kuin korkealla ilmassa heiluvat muutama hassu säde. Toki esityksiä on erilaisia ja käyttö on melko monimuotoista, sillä showlaserit skaalautuvat muuhunkin käyttöön kuin perus beam-show esityksiin (mm. mapping ja grafiikka).

Tässä artikkelissa on muistettava se, että koko juttu käsitteli yhtä suoraa lasersädettä! Showlaserissa säteily hajaantuu jo ennen projektorin linssiä jopa 80 asteen kulmassa tuhansiin eri pisteisiin ja nopeasti vaihtuviin liikkuviin muodostelmiin. Tämä tarkoittaa sitä, että yksi efekti kattaa etäisyyksistä riippuen kymmenien metrien alueen, eikä seisovia staattisia hetkiä käytännössä muodostu. Toinen huomioitava piirre piilee siinä, ettei laseria  käytetä maksimitehoilla (lue. valkoinen säde) shown alusta loppuun asti, vaan sen eri värejä moduloidaan jatkuvasti. Periaatteessa RGB laseria käytetään 1/3 (AR) tehoilla suurimman osan ajastaan ja viuhkamaisen efektin päässä tehot eivät ole verrattavissa niiden alkulähteeseen. Showlaserit muodostavat jatkuvaa moduloitua sädettä ja se skannataan projektorissa tyypillisesti 20 000 - 50 000 pisteen sekunttivauhdilla laajalle alueelle. Myös säteen halkaisija on suurempi kuin tyypillisesti muissa saman luokituksen omaavissa laservälineissä. Muistutan ja painotan silti, että laserit eivät ole leluja, eikä niillä pidä osoitella kenenkään silmiin! Käyttö vain määräysten mukaisesti. Yllämainitut arvot on peräisin laserturvallisuus standardeista: ANSI Z136.1 ja lasketut arvot esimerkkilaserista on laskettu MPE laskurilla.

Vastuullisesta laserkäytöstä lisää:

http://www.ilda.com/ Aineiston lähteinä on käytetty sivustoja: wikipedia, laserworld, ilda, lpforums, lps-laser, hus, optique-ingenieur, kvant, laser pointer safety, lasershowsafety, stuk.

2 katselukertaa

Laserwaves © 2017-2020