مقارنة بين شاشات حماية الليزر لمختلف الأطوال الموجية

فهم أطوال موجات الليزر ومتطلبات الحماية

دور طول موجة الليزر في تصميم السلامة

لتعمل شاشات الحماية من الليزر بشكل صحيح، يجب أن تتطابق تمامًا مع الطول الموجي المستخدم أثناء العمليات. عند التعامل مع ليزرات الأشعة فوق البنفسجية بين 200 و400 نانومتر، تكون هناك حاجة إلى مواد خاصة مثل الزجاج المطلي لمنع تلك الفوتونات القوية من النفاذ. من ناحية أخرى، تتطلب الليزرات تحت الحمراء التي تتراوح أطوالها الموجية من 700 نانومتر وحتى 1 ملليمتر مناهج مختلفة تمامًا، وعادةً ما تحتاج إلى شاشات قادرة على تحمل الحرارة دون أن تتدهور حالتها. وأظهرت أبحاث نُشرت السنة الماضية في مجلة سلامة الليزر نتائج مثيرة للقلق إلى حدٍ ما – عندما لا تتطابق معدات الحماية مع الطول الموجي للليزر بشكل صحيح، يواجه العمال احتمالًا بنسبة 63% أعلى للإصابة. وهذا يبرز حقًا أهمية الالتزام بإرشادات ANSI Z136 لأي شخص يعمل بشكل يومي مع هذا النوع من المعدات.

كيف تختلف متطلبات الحماية عبر تطبيقات الليزر في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء

• الليزرات فوق البنفسجية (200–400 نانومتر) : يتطلب شاشات بقطر 5+ عند 355 نانومتر لمنع حروق الشبكية وتدهور المواد
• الспектروم المرئي (400–700 نانومتر) : تقلل مرشحات الكثافة المحايدة ذات الامتصاص العريض الوهج مع الحفاظ على الوضوح
• الليزر الأحمر (1064 نانومتر شائع) : تساعد شاشات البولي كربونات ذات الطلاءات المُبددة للحرارة في منع التشويه الحراري

تُحدد خصائص المواد الحرجة - مثل النفاذية ≤0.1% عند الأطوال الموجية المستهدفة - بين حلول الحماية المطابقة وغير الكافية.

لماذا تعتبر الشاشات العالمية لحماية الليزر غير فعالة عبر الأطياف

لا يمكن أن تعمل حلول المادة الواحدة بشكل جيد عندما يتغير الكثافة البصرية بشكل كبير عبر الأطوال الموجية المختلفة. خذ على سبيل المثال شاشات الأكريليك، فقد تمنع حوالي 90% من ضوء الليزر الأخضر عند الطول الموجي 532 نانومتر، ومع ذلك تسمح بعبور نحو 40% من الإشعاع تحت الأحمر عند الطول الموجي 1064 نانومتر. ماذا يحدث بعد ذلك؟ حسنًا، هذا يؤدي إلى مشاكل تتعلق بمعايير السلامة. وبحسب تقارير تدقيق EN 207 الأخيرة من العام الماضي، فإن أربعة من كل خمسة منشآت اعتمدت على هذه الشاشات التي تُوصف بأنها عالمية انتهكت حدود التعرض المسموح بها (MPE) عندما دخلت أجهزة ليزر متعددة في العمل. من هنا تأتي أهمية إعادة النظر في اختيار الشاشات من قبل العديد من الشركات المصنعة.

الكثافة البصرية وأداء التوهين المحدد حسب الطول الموجي

تعريف الكثافة البصرية (OD): المعيار الأساسي لسلامة الليزر

تُشير الكثافة البصرية، أو اختصارًا OD، إلى مدى جودة المادة في منع مرور ضوء الليزر. معادلتها تبدو هكذا تقريبًا: OD تساوي اللوغاريتم العشري السالب لقيمة T، حيث يرمز T إلى النفوذية (Transmittance). ومع ذلك، فإن معظم الأشخاص لا يحتاجون إلى تذكر المعادلة الرياضية. المهم في التطبيق العملي هو أن تصنيف OD بقيمة 6 يعني أن الشاشة تمنع تقريبًا كل الضوء المار من خلالها، وتحديدًا 99.9999%. هذا النوع من مستوى الحماية هو ما يحتاجه العمال عند التعامل مع ليزرات صناعية قوية من الفئة الرابعة (Class 4) التي نراها في بيئات التصنيع. لا تكفي هنا طريقة التظليل العادية، لأن الكثافة البصرية تعمل وفق مقياس لوغاريتمي. كلما زادت القيمة بوحدة واحدة، زادت درجة الحماية عشر مرات. وهذا يجعل تصنيفات OD المعيار المُعتمد لتحديد معايير السلامة المنصوص عليها في إرشادات ANSI Z136.1-2022. لقد اعتمد المصنعون على هذا النظام لسنوات عديدة الآن.

قياس التوهين عبر مواد الشاشة لحماية الليزر حسب الطول الموجي

تختلف خصائص المواد بشكل كبير عبر الطيف:

تقدم الزجاج المُغطّى توهينًا متفوقًا للأمواج فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، في حين تُظهر البولي كربونات أداءً جيدًا في التطبيقات الخاصة بـ UV-C لكنها أقل فعالية في نطاقات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.

كيف تُحدد تصنيفات OD فعالية الحماية في نطاقات الليزر المحددة

فيما يتعلق بمتطلبات الكثافة البصرية، فإن الأمر يعود في الأساس إلى عاملين رئيسيين: مستويات قوة الليزر ومدة التعرض له. خذ على سبيل المثال الليزر الأخضر القياسي بقوة 5 واط والذي يعمل على طول موجي 532 نانومتر. بالنسبة لنظرات سريعة تقل مدتها عن ربع ثانية، تكون درجة الكثافة البصرية (OD) 3 أو أعلى كافية تمامًا. ولكن عند العمل باستمرار مع هذه الليزرات، يجب أن تكون نظارات الأمان مصنفة على الأقل بدرجة كثافة بصرية (OD) 7. وبحسب ما تم تقديمه في symposium سلامة الفوتونيات العام الماضي، فإن الليزرات التي تعمل بثاني أكسيد الكربون على طول موجي 10.6 ميكرون عادةً ما تحتاج إلى حماية بدرجة كثافة بصرية (OD) 4 لضمان سلامة العين، وخاصةً في منطقة القرنية. ومن المثير للاهتمام أن نفس مستوى القوة عند الطول الموجي 1550 نانومتر يتطلب في الواقع حماية أقل بكثير، حيث أن درجة كثافة بصرية (OD) 2 تكفي لأن العين البشرية تمتص الضوء عند هذا الطول الموجي بشكل أقل بكثير.

دراسة حالة: مقارنة أداء الكثافة البصرية (OD) في بيئات الليزر فوق البنفسجية مقابل الأشعة تحت الحمراء

في تصوير أشباه الموصلات (355 نانومتر الأشعة فوق البنفسجية)، حققت شاشات الزجاج المغطاة كثافة ضوئية 6.2 مع نفاذية أقل من 0.1% بعد 800 ساعة من الاختبار. وقد قدمت المادة نفسها كثافة ضوئية 4.7 عند 2 ميكرومتر الأشعة تحت الحمراء في إعدادات لحام الليزر بسبب قيود الرنين الجزيئي. هذا الانخفاض بنسبة 27% في الأداء يوضح لماذا تُلزم ANSI Z136.1-2022 بالحصول على شهادة محددة لكل طول موجي لجميع الشاشات الواقية.

المواد المستخدمة في الشاشات الواقية من الليزر وأداؤها الطيفي

البولي كربونات، والأكريليك، والزجاج المغطى: مقارنة بين المواد الشائعة

يجب أن تكون المواد المصممة للحماية من الليزر دقيقة للغاية عندما يتعلق الأمر بطول موجي مختلف للضوء. خذ على سبيل المثال مادة البولي كربونات (PC)، حيث تتحمل هذه المادة الضربات بفضل خصائصها المقاومة للتآكل. كما أنها تمتص حوالي 98% من الأشعة فوق البنفسجية الضارة (UV-C) بين 200 و280 نانومتر، مع السماح بعبور حوالي 89% من الضوء المرئي. تعمل مادة الأكريليك أو (PMMA) أيضًا بشكل جيد في منع إشعاعات الأشعة فوق البنفسجية (A وB) ضمن نطاق 315 إلى 400 نانومتر. ومع ذلك، فإن مادة الأكريليك تميل إلى التشقق بسهولة، مما يجعلها أقل ملاءمة للتعامل مع أشعة الليزر تحت الحمراء ذات القدرة العالية. أما الزجاج المغطى بطبقات عازلة خاصة فيستطيع التعامل مع نطاقات ضيقة جدًا من الضوء تحت الأحمر، ويصل إلى تصنيفات كثافة ضوئية تفوق 6. لكن دعنا نواجه الأمر، لا أحد يرغب في حمل دروع زجاجية ثقيلة وهشة طوال اليوم. وقد أظهرت اختبارات مستقلة في الواقع أن مادة البولي كربونات تستمر في الأداء بشكل موثوق حتى عند التعرض لأطوال موجية متعددة على مر الزمن. وبعد التعرض المستمر لأشعة الليزر Nd:YAG بطول موجي 1064 نانومتر لمدة 5000 ساعة متواصلة، تدهورت المادة بنسبة أقل من 0.1% فقط، مما يجعلها خيارًا موثوقًا في العديد من الاستخدامات الصناعية حيث تكون المتانة هي الأهم.

النفاذية، والمتانة، والتوافق متعدد الأطوال الموجية

تقيّد درجة ضعف توهين الأشعة تحت الحمراء في مادة الأكريليك استخدامها في أنظمة الليزر الليفي، بينما تدعم خصائص البولي كربونيت المتوازنة بيئات الأطوال الموجية المختلطة مثل غرف الليزر الثنائي الطبي.

التطورات في substrates ذات الطلاء النانوي لحماية الليزر عريض النطاق

يمكن لأحدث أفلام البوليمر ذات الطلاء النانوي أن تصل إلى كثافة ضوئية تبلغ 4+ عبر مدى الطول الموجي من 200 إلى 1500 نانومتر من خلال ترتيب أكاسيد المعادن والبوليمرات بشكل متناوب على المقياس النانوي. يتراوح سمك الطلاء بين 50 و200 ميكرومتر، وتتميز هذه المواد بخصائص مثيرة للاهتمام، فهي تعكس ضوء الليزر الأخضر عند الطول الموجي 532 نانومتر، وفي الوقت نفسه تمتص انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عند 10.6 ميكرون. أظهرت اختبارات أجرتها جهات خارجية أن هذه الطلاءات الجديدة تقلل مشاكل الانحناء الحراري بنسبة تقارب الثلثين مقارنةً بزجاج الطلاء التقليدي الذي يوفر كثافة ضوئية مشابهة. مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للاستخدام في المصانع والبيئات الأخرى حيث تكون تقلبات درجة الحرارة شائعة ويحتاج المعدات إلى الحفاظ على الثبات على مر الزمن.

اختيار المادة المناسبة بناءً على متطلبات الطول الموجي التشغيلي

قم بتوحيد خصائص المادة مع مواصفات الليزر:

• ليزر الإكسيمر فوق البنفسجي (248 نانومتر) : استخدم زجاجًا مطليًا (كثافة ضوئية ≥5) مع معالجات سطحية مقاومة للتبخر
• ليزر جراحي مختلط (مرئي/أشعة تحت حمراء) : اختر بولي كربونات مطلي بـ (OD 3.5–4.2) لتحقيق توازن بين الرؤية والحماية
• ليزر صناعي عالي الطاقة (أشعة تحت حمراء) : ركز على الزجاج المطلي أو الشاشات الهجينة ذات طبقات التبريد

تتطلب معايير ANSI Z136 التحقق السنوي من الامتصاصية (OD) الخاصة بالطول الموجي، حيث يمكن أن تؤدي تدهور المواد في الظروف ذات الرطوبة العالية إلى تقليل الامتصاصية بمقدار 0.3–0.7 OD سنويًا.

التقنيات العاكسة مقابل الماصة في شاشات حماية الليزر

مرشحات عاكسة: إدارة التعرض للليزر عالي الشدة بشكل آمن

تُحْكِم الشاشات العاكسة ذات الطلاء العازل إعادة توجيه ما يقارب 95 بالمائة وحتى معظم طاقة الليزر الواردة بعيدًا عن الأشخاص الذين يعملون في الجوار وفقًا لبحث أجرته الجمعية الدولية للسلامة بالليزر (LIA) السنة الماضية. تعمل هذه الشاشات بشكل فعال ضد تلك الليزرات تحت الحمراء ذات النبضات القصيرة التي نشاهدها غالبًا عند أطوال موجية مثل 1064 نانومتر، والتي يمكن أن تصل شدتها إلى أكثر من 10 ملايين واط لكل سنتيمتر مربع خلال تلك النبضات النانوية القصيرة. لكن العيب هو أن هذه الشاشات تحتوي على زوايا محددة مبنية فيها، لذا يجب تركيبها بدقة لضمان عدم تسرب انعكاسات خطرة. كما أظهرت بعض الاختبارات التي أُجريت عام 2022 شيئًا مثيرًا أيضًا. عندما وُضعت هذه الشاشات عالية الجودة بقيمة كثافة بصصرية (OD) 7 أو أعلى بزاوية تزيد عن 15 درجة عن خط الحزمة الفعلي، ظلت الانعكاسات المتناثرة أقل من 0.01 بالمائة عبر نطاق 700 إلى 1100 نانومتر بالكامل.

تقنيات الامتصاص: تبديد الحرارة والاستقرار على المدى الطويل

تُحوِّل الشاشات المُشبِّعة الطاقة الليزرية إلى حرارة عبر البوليمرات المُعَدَّلة والطبقات النانوية الخزفية. تدعم مركبات البولي كربونات ذات المؤشر المتدرج الأداء بمستوى OD 5 عند 532 نانومتر لأكثر من 5000 ساعة. وفي ظل التعرض المستمر لإشعاع تحت الحمراء بقدرة 100 واط، تحدّ قنوات التبريد الموصلة من ارتفاع درجة حرارة السطح بحيث لا يتجاوز 3°م (مجلة تطبيقات الليزر، 2023).

مقارنة الأداء الرئيسي:

المفاضلة بين الانعكاس والامتصاص في بيئات العمل المشتركة

غالبًا ما تجد المنشآت التي تستخدم ليزر YAG لقطع المواد على طول موجي 1064 نانومتر جنبًا إلى جنب مع أنظمة الوسم بالليزر فوق البنفسجي العاملة عند أطوال موجية 355 نانومتر أن التكوينات الهجينة هي الأفضل لعملياتها. وبحسب إرشادات ANSI Z136.7، يجب أن يكون هناك مسافة حد أدنى قدرها 1.2 متر بين الشاشات العاكسة للأشعة تحت الحمراء المستخدمة في قطع الليزر والحواجز الامتصاصية المطلوبة لتطبيقات الوسم فوق البنفسجي. وقد أظهرت الاختبارات العملية في بيئات حقيقية أنه عندما تجمع الورش بين ألواح عاكسة بعامل كثافة بصية 6 موضوعة بزاوية 45 درجة مع مواد امتصاصية بعامل كثافة بصية 4 أو أكثر، فإنها تلاحظ تقليلًا بنسبة 83 بالمئة في مشاكل الوهج المتبادل بين المحطات مقارنةً بالمنشآت التي تلتزم بنوع واحد فقط من تقنيات الحماية في كامل مساحة العمل.

خطر التلف الحراري في الشاشات العاكسة عالية الكثافة البصرية

يمكن أن تصل طلاءات العاكسات القائمة على النحاس إلى كثافة ضوئية 10+ عند 10.6 ميكرون لليزر CO2، لكنها تميل إلى التفكك الكامل عندما تصل درجات الحرارة إلى حوالي 650 درجة مئوية. يحدث هذا بسرعة كبيرة أيضًا - أحيانًا خلال دقيقة واحدة فقط من التعرض لأشعة مركزة بقدرة 400 واط. تشير نظرة خلفية على الحوادث التي وقعت في عام 2022 إلى أن معظم المشاكل حدثت أثناء عمليات الليزر بالألياف حيث تجاوز تراكم الحرارة 2 كيلوواط دقيقة لكل متر مربع. الخبر الجيد هو أن هناك طريقة لتقليل هذا الخطر. يوصي خبراء الصناعة بدمج هذه الشاشات الواقية مع أجهزة استشعار حرارية تحت الحمراء. تقوم هذه الأجهزة بإيقاف الشعاع الليزري تلقائيًا بمجرد الوصول إلى 400 درجة، مما يمنح المشغلين هامش أمان كبير قبل أن تبدأ الأمور بالانحراف.

معايير سلامة الليزر والامتثال لها لحماية محددة حسب الطول الموجي

نظرة عامة على معايير ANSI Z136 وEN 207 الخاصة بالشاشات الواقية من الليزر

تأتي معايير سلامة الليزر بشكل أساسي من منظمتين رئيسيتين: ANSI Z136 في أمريكا وEN 207 في جميع أنحاء أوروبا. تشكل هذه المعايير العمود الفقري لكيفية التعامل مع الليزر بشكل آمن في الصناعات المختلفة. تغطي معيارية ANSI Z136 تقريبًا كل الصناعات التي تستخدم الليزر، حيث تحدد بدقة نوع الإجراءات الوقائية التي يجب اتخاذها. على سبيل المثال، تحدد المعيارية أنواعًا مختلفة من الشاشات الواقية من الليزر اعتمادًا على ما إذا كنا نتعامل مع ليزر من الفئة 3B أو الفئة 4، وما نوع بيئة العمل التي تُستخدم فيها. في المقابل، تتبنى EN 207 منهجًا مختلفًا، حيث تشترط إجراء اختبارات محددة للكثافة البصرية فيما يتعلق بكل من معدات حماية العين وتلك الشاشات الواقية نفسها. ويضمن هذا التوجيه أن يتم تصفية الضوء الذي يمر عبرها بشكل صحيح وفقًا لطول موجته. تتناول كلتا المجموعتين من الإرشادات بشكل واضح المخاطر الناتجة عن شعاع الليزر المباشر، والتي يمكن أن تسبب تلفًا جسيمًا في شبكية العين، لكنها في الوقت نفسه لا تتجاهل مشاكل محتملة أخرى مثل المخاطر الكهربائية التي قد تحدث أثناء التشغيل العادي.

كيف تحدد المعايير متطلبات كثافة الطيف الضوئي (OD) حسب الطول الموجي واختبارها

يتم إنشاء العلاقة بين تصنيفات الكثافة البصرية (OD) والأطوال الموجية المحددة من خلال معايير مختلفة. على سبيل المثال، يشترط المعيار EN 207 أن تكون قيمة OD تساوي 7 أو أعلى عند 1064 نانومتر عند التعامل مع الحماية من الأشعة تحت الحمراء. من ناحية أخرى، تحتاج التطبيقات فوق البنفسجية حول 355 نانومتر إلى مواد خاصة تمتص الضوء بكفاءة عند تلك الأطوال الموجية المحددة. وفيما يتعلق باختبار الامتثال، يخضع الشركات المصنعة شاشات الحماية لمصادر ليزر معايرة تغطي كامل النطاق من 190 إلى 1500 نانومتر. ومن ثم يتم قياس كمية الطاقة التي تمر فعليًا عبر هذه الشاشات للتحقق مما إذا كانت تحجب ما يكفي من الضوء كما هو معلن. ولتحقيق هذا الشرط، يجب الوصول إلى معدل حجب مرتفع يبلغ 99.999% عند مستوى OD المحدد، وهو أمر بالغ الأهمية عند التعامل مع أشعة الليزر الخطرة من الفئة الرابعة الموجودة بشكل شائع في البيئات الصناعية حيث تكون سلامة العين من الأولويات القصوى.

توحيد شاشة حماية الليزر مع شهادة الأمان الدولية

للتأكد من الامتثال، تحقق من معيارين رئيسيين:

• الشهادة المحددة للطول الموجي : ابحث عن علامات مثل "D L4 1064 نانومتر OD 7+" (EN 207) أو "ANSI Z136 OD 6 @ 532 نانومتر"
• التحقق من طرف ثالث : تقوم مختبرات مستقلة مثل TÜV Rheinland أو UL باختبارات وفقًا لمعايير IEC 60825-1 لتأكيد الأداء

يقلل المصنعون الذين يستخدمون المنتجات المعتمدة من مخاطر المسؤولية بنسبة 74٪ مقارنةً بمن يعتمدون على بدائل غير معتمدة (مجلة سلامة الليزر، 2022). يجب دائمًا مطابقة مواصفات الشاشة مع الطيف الانبعاثي لليزر والحدود المحلية للتعرض.

الأسئلة الشائعة حول أطوال موجات الليزر ومتطلبات الحماية

ما هي الكثافة البصرية (OD) ولماذا هي مهمة؟

تقاس الكثافة البصرية (OD) مدى فعالية المادة في حجب ضوء الليزر. وتستخدم مقياسًا لوغاريتميًا حيث يؤدي كل زيادة بوحدة واحدة إلى زيادة الحماية عشر مرات، وهو أمر بالغ الأهمية لمعايير سلامة الليزر.

لماذا تعتبر الشاشات الخاصة بالطول الموجي ضرورية لحماية الليزر؟

تُعد الشاشات الخاصة بالطول الموجي ضرورية لضمان الحماية القصوى من خلال حجب أطوال موجات الليزر بشكل فعّال. ويمكن أن تؤدي الشاشات غير المتوافقة إلى زيادة خطر الإصابات بسبب عدم كفاية الحجب.

ما هي المواد الشائعة المستخدمة في شاشات حماية الليزر؟

تُستخدم مادة البولي كربونات، والأكريليك، والزجاج المطلي بشكل شائع. ولكل منها خصائص أداء ضوئي (OD) محددة تناسب أنواعاً مختلفة من الليزر تشمل الأطياف من فوق البنفسجية إلى تحت الحمراء.

كيف تختلف التقنيات العاكسة والمُاصة في شاشات الليزر؟

تعيد الشاشات العاكسة طرد طاقة الليزر، وهي مناسبة للأطوال الموجية NIR، بينما تحوّل الشاشات الماصة هذه الطاقة إلى حرارة، وهي مناسبة للأطوال الموجية فوق البنفسجية والمرئية، وكل نوع يقدّم ميزات وعيوبًا مختلفة.

ما هو دور المعايير مثل ANSI Z136 وEN 207؟

توفر هذه المعايير إرشادات فيما يتعلق بسلامة الليزر، وتحدد متطلبات الكثافة البصرية (OD) بناءً على أنواع الليزر وبيئات الاستخدام لضمان اتخاذ تدابير وقائية تمنع الإصابات.