Laser: Gefährdungen und Schutzmaßnahmen / 3 Gefährdungen durch Laser

3.1 Biologische Wirkung des Lasers

Die biologische Wirkung von Laserstrahlung hängt von der Energiedichte sowie der Einwirkdauer ab. Die Wirkungen können dabei in drei Bereiche unterteilt werden:

1. Fotochemische Prozesse (z. B. Hautrötung, Sonnenbrand, Pigmentflecke): entstehen bei Einwirkzeiten >10 s und einer Leistungsdichte (Watt W pro Fläche) < 50 mW/cm².
2. Fotothermische Prozesse (z. B. Netzhautverdampfung/Koagulation), Temperaturerhöhung im Gewebe) entstehen bei Einwirkzeiten von 1 ms bis ca. 1 s und einer Leistungsdichte von > 50 bis 100 W/cm².
3. Fotoionisierende Prozesse (z. B. Gewebeabtragung, Gewebeverdampfung, Ausbildung von Plasma): entstehen bei Einwirkzeiten von 10 ns bis 10 μs und einer Leistungsdichte >10⁶ bis 10¹⁰ W/cm².

3.1.1 Gefährdung des Auges

Bei Laserbearbeitungsmaschinen gibt es nicht nur die maschinentypischen mechanischen und elektrischen Gefährdungen sowie Gefährdungen durch Lärm, Vibration und Wärme, sondern auch Gefährdungen durch die hohen Energie- und Leistungsdichten des Laserstrahles. Eine der Hauptgefährdungen durch Laserstrahlung besteht in einer Verletzung des Auges. Maßgeblich sind hierbei die Leistungsdichte, die Einwirkzeit und die Wellenlänge.

Laserstrahlung im Bereich von 400 bis 1.400 nm kann zu Schäden an der Netzhaut und Fovea (kleine Netzhautgrube) führen (vgl. Abb. 4). Bei der Betrachtung eines Gegenstandes oder einer Lichtquelle wird dieser direkt auf der Fovea abgebildet. Verletzungen in diesem Bereich führen also zu einer deutlich verminderten Sehschärfe. Außerhalb dieser Wellenlängen dringt die Laserstrahlung nur sehr flach ins Gewebe ein. Dies kann "nur" Hornhautverletzungen zur Folge haben. Hohe thermische Laserstrahlleistungen führen hingegen nach und nach zu einer Zerstörung des gesamten Auges.

Abb. 4: Schematischer Aufbau des Auges (Skiba)

3.1.2 Gefährdung der Haut

Die Haut kann im Gegensatz zum Auge weitaus mehr Energiestrahlung aufnehmen. Die biologische Wirkung von Laserstrahlung auf die Haut hängt stark von der Energiedichte, der Einwirkzeit und der Wellenlänge ab. Die biologische Wirkung unterteilt sich in:

• Verbrennung 1. Grades (schwacher Sonnenbrand),
• Verbrennung 2. Grades (schwere Blasenbildung),
• Verbrennung 3. Grades (ascheartige Verkohlungen; entstehen bei kurzer und sehr starker Laserstrahlung – vornehmlich bei Gewebe mit hoher Absorption).

Schädigungen der Haut durch Laserstrahlung, die nicht aus dem UV-Bereich stammt, heilen i. d. R. gut aus. Tab. 2 zeigt die biologischen Wirkungen durch Laserstrahlung.

Spektralbereich	Wirkung auf das Auge	Wirkung auf die Haut
UV-C (100–280 nm) UV-B (280–315 nm)	(Absorption in der Hornhaut) Entzündung der Horn- und Bindehaut	(< 1 mm Eindringtiefe) Hautrötung mit sekundärer Pigmentierung, beschleunigte Hautalterung, Hautkarzinom
UV-A (315–400 nm)	(Absorption in der Augenlinse) Grauer Star	(~ 1 mm Eindringtiefe) starke Pigmentierung (ohne Hautrötung)
Sichtbare Strahlung (400–780 nm)	Fotochemische und fotothermische Retinaschädigung	(Eindringtiefe bestimmt durch Pigmentierung) fotochemische Prozesse, thermische Hautschädigung
IR-A (780–1.400 nm)	(Absorption in dem Glaskörper und in der Netzhaut) Grauer Star	(Eindringtiefe bestimmt durch Pigmentierung) thermische Hautschädigung
IR-B (1.400–3.000 nm)	(Absorption in der Augenlinse und dem Glaskörper) thermische Hornhaut- und Linsenschädigung	(~ 1 mm Eindringtiefe) thermische Hautschädigung
IR-C (3.000 nm–1 mm)	(Absorption in der Hornhaut) thermische Hornhautschädigung	(< 1 mm Eindringtiefe) thermische Hautschädigung

Tab. 2: Biologische Wirkung der Laserstrahlung

3.2 Weitere Gefährdungen

Weitere Gefährdungen, die durch Laserbearbeitungsmaschinen und Laserstrahlung hervorgerufen werden können, sind z. B. Folgende:

• Hochspannungen zur Erregung des aktiven Mediums mit Betriebsspannungen >5 kV emittieren Röntgenstrahlen.
• Wenn Laserstrahlung auf chemische Stoffe oder Verbindungen trifft (z. B. Korrosionsoxide oder Absorptionsmittel, die zur Verbesserung der Strahlungseinkopplung auf Material aufgetragen werden), so werden diese i. d. R. verdampft. Die entstehenden Gase, Stäube, Rauche oder Nebel können zu einer Überschreitung der Arbeitsplatzgrenzwerte führen. Bei der Bearbeitung von z. B. Mangan, Chrom, Nickel oder Kobald können toxische (Ca, Mn), kanzerogene (Cr⁶, NiO) oder sensibilisierende Wirkungen für die Beschäftigten entstehen. Ähnliches trifft auch auf die Keramikbearbeitung zu (z. B. Al2O3, Si-Oxide) und auf das Kunststoffschneiden (z. B. toxische Cyanide, Kohlenmonoxid, Benzolderivate).
• Aufgrund der hohen thermischen Wirkung der Laserstrahlung, kann leicht entzündliches Material entflammt werden. Das Entstehen von explosionsfähigen Gemischen ist je nach Bearbeitungsverfahren und -material ebenfalls möglich.