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Auf Ihren Laser abgestimmt: Warum Sie die Wellenlänge berücksichtigen müssen, auf die Ihre Laserschutzbrillen abgestimmt sind.
Die Physik der selektiven Wellenlängenabsorption: Wie Filtermaterialien mit UV-, sichtbarem und IR-Licht interagieren
Laserschutzbrillen verwenden Filter, die schmale Lichtbänder absorbieren oder reflektieren. UV-, sichtbares und IR-Licht werden von Polycarbonat-, farbigem Glas- sowie Verbundfiltern (häufig metallisch) unterschiedlich absorbiert. Ein Filter, der Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm (grün) absorbiert, könnte beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm (nahes IR) durchlassen. Die Absorptionsmechanismen der Filter sind wellenlängenabhängig; daher kann kein einziger Filter vor allen Laserwellenlängen schützen. Laserschutzbrillen, die für eine bestimmte Laserwellenlänge zertifiziert sind, bieten keinen Schutz gegen andere Laserwellenlängen – selbst dann nicht, wenn das emittierte Licht eine ähnliche Farbe aufweist.
Fälle mit korrekter optischer Dichte (OD), aber falschen Wellenlängen, die zu Netzhautverletzungen führten
Bei Netzhaut-Laserverletzungen hat sich gezeigt, dass inkongruente Wellenlängen häufiger die Ursache der Verletzung sind als eine unzureichende optische Dichte (OD). Ein Beispiel aus der Industrie im Jahr 2019: Drei Techniker erlitten nach einer Exposition gegenüber einem 1064-nm-Nd:YAG-Laser dauerhafte Netzhautschäden. Die Techniker trugen Sicherheitsbrillen mit einer optischen Dichte von 7 bei 532 nm. Obwohl die Brillen für eine hohe optische Dichte ausgelegt waren, wies die Transmissionskurve der Brillen bei 1064 nm eine sehr geringe Laser-OD auf. Im Laborbeispiel mit Argon-Lasern aus dem Jahr 2021 zeigten zudem Brillen für 488/514 nm mit einer OD von 5+ eine schlechte OD bei 635 nm, sodass mehr als 90 % des 635-nm-Laserlichts durchgelassen wurden. Der Grund für die schlechte OD bei 635 nm ist, dass die Brillen speziell für 488/514 nm konzipiert sind. Diese Beispiele verdeutlichen, dass Brillen mit einer hohen OD-Angabe bei einer bestimmten Wellenlänge dennoch zu Netzhautverletzungen führen können, wenn zwischen der schützenden Wellenlänge der Brille und der Wellenlänge des Laserstrahls eine Diskrepanz besteht. Daher sollte die Auswahl schützender Brillen stets mit der schützenden Wellenlänge und nicht allein mit der optischen Dichte beginnen.
Berechnung der erforderlichen optischen Dichte (OD) für Schutzbrillen
Um die erforderliche optische Dichte (OD) zur Bewertung des Verletzungsrisikos durch Laserstrahlung oberhalb des maximal zulässigen Expositionspegels (MPE) zu ermitteln, müssen zunächst die Spezifikationen des Lasertyps beschafft und die Schwellenleistung für Gewebeschäden abgeleitet werden. Der maximale zulässige Expositionspegel (MPE) ist in ANSI Z136.1 als die Laserstrahlungsintensität definiert, bei der bei einem Menschen eine Schädigungsschwelle – jedoch auf nicht letalem Niveau – erreicht wird. Zur Ermittlung der erforderlichen OD muss der Anwender folgende Variablen bestimmen:
1. Die Betriebswellenlänge des Lasers:
2. Die Ausgangsleistung des Lasers oder die pro Impuls abgegebene Energie des Lasers:
3. Die Impulsdauer des Lasers (falls zutreffend);
4. Den Strahldurchmesser des Lasers.
Schließlich muss der Fall eines kontinuierlich arbeitenden Lasers (CW-Laser) hinsichtlich der Bestrahlungsstärke (Leistung pro Flächeneinheit) und im Fall von gepulsten Lasern hinsichtlich der Bestrahlung (Energie pro Flächeneinheit) bewertet werden.
Weisen Sie diesen Wert dem MPE für Ihre spezifische Wellenlänge und Belichtungsdauer zu. Beispielsweise beträgt der MPE für CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm bei einer Belichtungsdauer unter 10 s 0,1 W/cm².
Verwenden Sie: OD = log₁₀ (einfallende Bestrahlungsstärke ÷ MPE)
Betrachten Sie einen 50-W-CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm, der mit einem 1-cm-Strahl arbeitet. Die vom Laser emittierte Bestrahlungsstärke beträgt ca. 63,7 W/cm². Um die erforderliche OD für einen MPE von 0,1 W/cm² zu ermitteln, berechnen wir: log₁₀(63,7) = 2,8. In der Praxis runden bzw. korrigieren wir die erforderliche OD auf ein Minimum von 3 (3+) als Sicherheitsfaktor. Eine Sicherheits-OD von 3+ ist erforderlich, um etwaige Ausrichtungsfehler, Reflexionen und Filteralterung abzudecken; sie kann nicht allein aus dem theoretischen Minimum bestimmt werden.
Berücksichtigungen für Dauerstrich- (CW) gegenüber gepulsten Lasern (Q-Switched und ultrakurze Laser)
Dauerstrich-(CW)-Laser weisen bei langsamer CW-Betriebsart eine Reichweiten-Einstufungs-OD von 6 bei 1064 nm auf. Ein Laserindex von 3 für einen CW-Laser mit 1064 nm bietet beispielsweise möglicherweise nur einen Schutz von OD 3 oder 4 gegen einen Q-switched-Puls mit derselben mittleren Leistung.
Bei multiphotonischer Absorption und laserinduzierter Zerstörung des Filtermaterials kann eine Bewertung unter CW-Bedingungen Verletzungen erklären, bei denen der Schutz gegen CW-CERT als gültig angesehen wurde. Für gepulste Laser ist ein Schutz gegen die Spitzenleistungsflussdichte mittels pulsspezifischer Isolationswerte erforderlich, die gemäß der Norm EN 207 validiert wurden.
Bei Ultrakurzpulslasern (>10⁹ W/cm² Spitzenbestrahlungsstärke) sind von der LSO geprüfte Testdaten oder Gutachten unabhängiger Dritter erforderlich, die die Leistungsfähigkeit bei Ihren exakten Pulsparametern – nicht bei generischen CW-Bewertungen – bestätigen.
Laser-Auswahlhilfe für gängige Systeme: CO₂-, Nd:YAG-, Dioden-, Excimer- und Faserlaser
Nd:YAG (1064/532 nm) und CO₂ (10,6 µm): Berücksichtigung der Materialverträglichkeit, der thermischen Belastungsgrenze sowie der Zertifizierung nach ANSI Z136.1
CO₂-Laser emittieren bei 10,6 µm. Da dieser Wellenlängenbereich im fernen Infrarot liegt, müssen Filter aus Polycarbonat oder speziellen, laseraufnehmenden Gläsern bestehen. Dies unterscheidet sich von sichtbarem Licht und nahem Infrarot, bei denen die Filterwirkung selektiv ist. Hochleistungs-CO₂-Laser (über 100 W) können minderwertige Optiken beschädigen. Wählen Sie Schutzbrillen, die für den CO₂-Laser auf der jeweiligen Betriebsleistung – nicht nur für die Wellenlänge – geprüft und zugelassen sind. Für einen Nd:YAG-Laser ist ein Schutz bei 1064 nm (Kornea-Gefährdung) sowie beim frequenzverdoppelten Nd:YAG bei 532 nm (Netzhaut-Gefährdung) erforderlich. Viele Schutzbrillen bieten zwar Schutz bei 1064 nm gemäß ANSI Z136.1, jedoch unzureichenden Schutz bei 532 nm, dessen maximal zulässige Exposition (MPE) bis zu 100-mal niedriger ist. Legen Sie für jede Wellenlänge gesondert den Nachweis der Zertifizierung vor – nicht in Kombination oder unter dem Begriff „Breitband-IR“. Schutzbrillen mit der Bezeichnung „Allgemeines IR“ bieten bei 532 nm unzureichenden Schutz und erfüllen daher nicht die Anforderungen der Norm ANSI Z136.1.
Ein Kompromissvergleich für Dioden-(405–980 nm), Excimer-(193–351 nm) und Faser-(1030–1550 nm)-Laser sowie für renommierte Laserschutzbrillen.
Diodenlaser-Schutzbrillen erfordern einen Filter für jede Laseremission. Ein Filter, der für 450 nm verifiziert ist, bietet keinen Schutz bei 808 nm. Der validierte Dämpfungsbereich des Filters muss exakt mit der Laseremission übereinstimmen. Excimer-Laser (193 nm Argon-F, 248 nm Krypton-F, 308 nm Xenon-Chlorid und 351 nm Xenon-Fluorid) liegen im tiefen UV-Bereich. Filter aus seltenerd-dotiertem Glas oder Quarzglas reduzieren die Sichtbarkeit in der Regel um 70 % bis 90 %. Die Konformität wird dadurch beeinträchtigt. Aufgrund des Wellenlängenbereichs von 1030–1550 nm, der sich mit dem von Nd:YAG überlappt, arbeiten Faserlaser üblicherweise mit deutlich höheren mittleren Leistungen oder ultrakurzen Pulsen. IR-Schutzbrillen sind für niederleistige kontinuierliche (CW) Fasersysteme ausreichend, doch Hochleistungs- oder gepulste Systeme erfordern Filter gemäß der Norm EN 207 mit einer Validierung für Ihre spezifische Pulsdauer und Spitzenleistung. Bevorzugen Sie Modelle, die öffentlich durch unabhängige Drittanbieter gemäß Ihren geforderten Betriebsspezifikationen getestet wurden – nicht nur auf Grundlage von Marketingaussagen.
Die Verwendung von Laserschutzbrillen umfasst Passform, Zertifizierung und Anwendungskontext und ist ein entscheidender Faktor, um ihre Zuverlässigkeit in realen Einsatzsituationen sicherzustellen. Um das Risiko einer Erblindung bei der Nutzung von Laserstrahlen zu verringern, ist es wichtig, eng anliegende Laserschutzbrillen zu tragen. Lücken, die im Brillengestell entstehen können, stellen Eintrittspunkte für direkte oder reflektierte Laserstrahlen dar; zudem führt Unbehagen bei längerem Tragen dazu, dass der Träger die Sicherheitsvorschriften nicht einhält. Laserschutzbrillen müssen die Anforderungen der Prüfnormen für mechanische Belastung und Laserschutz erfüllen, d. h. ANSI Z87.1 (mechanische Belastung) sowie ANSI Z136.1 oder EN 207/208 (Laserdämpfung und Beständigkeit). So werden beispielsweise zertifizierte EN-207-Brillen bei bestimmten Leistungs-/Energiewerten und bestimmten Pulsdauern getestet, um ihre Zuverlässigkeit im praktischen Einsatz zu gewährleisten. Laserschutzbrillen sind regelmäßig auf Kratzer, abblätternde Schichten und verformte Gestelle zu überprüfen und gegebenenfalls auszutauschen, sobald ihre Integrität beeinträchtigt ist. Schließlich sollten Schulungen zum Anwendungskontext und zur Überprüfung der Passform in Ihr Lasersicherheitsprogramm integriert werden, da sie dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Brillen (bei falscher Anwendung) oder des Nichttragens (bei unregelmäßiger Anwendung) zu reduzieren.
Häufig gestellte Fragen
Warum ist die wellenlängenspezifische Abstimmung von Laserschutzbrillen wichtig?
Die wellenlängenspezifische Abstimmung von Laserschutzbrillen ist wichtig, weil die Brillen darauf ausgelegt sind, Laserstrahlung innerhalb eines engen Wellenlängenbereichs zu filtern und optimalen Schutz vor Laserwellenlängen bieten, die in diesen Bereich fallen. Falls der Laser außerhalb dieses Bereichs liegt, bieten die Brillen wahrscheinlich kaum oder gar keinen Schutz.
Was geschieht, wenn ich Brillen trage, die für eine falsche Wellenlänge zugelassen sind?
Das Tragen von Laserschutzbrillen, die für eine falsche Wellenlänge zugelassen sind, führt wahrscheinlich zu Netzhautverbrennungen oder bleibenden Augenschäden durch den Laser.
Wie hängt die optische Dichte (OD) der Schutzbrillen mit der Lasersicherheit zusammen?
Die optische Dichte (OD) von Laserschutzbrillen gibt das Maß an, um das eine Schutzbrille die Laserstrahlung abschwächen muss, um sicherzustellen, dass die Exposition unter der maximal zulässigen Exposition (MPE) bleibt. Daher müssen die Laserschutzbrillen für eine bestimmte Laserwellenlänge ausgelegt sein.
Sind gepulste und kontinuierliche Laser unterschiedliche Laser, die unterschiedliche Schutzbrillen erfordern?
Ja, Schutzbrillen für kontinuierliche Laser können bei der Arbeit mit gepulsten Systemen irreführend sein. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte erfordern gepulste Laser Schutzbrillen, die für die maximale Bestrahlungsstärke zugelassen sind.
Wie ist die beste Vorgehensweise zur Pflege von Laserschutzbrillen?
Sie können überprüfen, ob Ihre Laserschutzbrillen richtig sitzen und keine Beschädigungen aufweisen. Laserschutzbrillen müssen folgenden Normen entsprechen: ANSI Z136.1 und EN 207.