1. 基本概念

1.1 常用物理量

物理量	单位	描述
辐射通量（Radiant flux）	瓦特( $W$ )	每单位时间的辐射能量，亦作“辐射功率”。
辐照度（Irradiance)	瓦特每平方米( $W·m^{−2}$ )	单位面积入射表面的辐射通量
辐射率（Radiance）	瓦特每球面度每平方米( $W·sr^{−1}·m^{−2}$ )	每单位立体角每单位投射表面的辐射通量
辐射强度（Radiant intensity）	瓦特每球面度( $W·sr^{−1}$ )	每单位立体角的辐射通量

辐射能（Radiant energy)	焦耳( $J$ )	能量
辐射曝光量（Radiant exposure）	焦耳每平方米( $J⋅m^{−2}$ )
辐射能量密度（Radiant energy density）	焦耳每立方米( $J⋅m^{−3}$ )

表观光源：对一个给定的视网膜危害评估位置，表观光源是形成最小视网膜影像的实物像或虚物像。眼睛能够通过适应性调节（即，通过改变晶状体的焦距）产生的最小视网膜影像尺寸决定了表观光源的对向角
表观光源的对向角：作为视网膜影像尺寸的一个量度。对向角是表观光源的直径在眼睛晶状体上对向的平面角，见图6a和6b。表观光源的对向角沿光束轴向的位置变化而变化。除了表面发射光源（例如完全漫透射或漫反射光束或没有封装透镜或反射镜的LED）外，表观光源的位置也是眼睛沿着光轴的位置的函数。

1.2 单位换算

能量：（焦耳） 1焦耳=1牛顿•米=1瓦特•秒
热量：（卡） 1卡=4.187焦耳
功率：（瓦特） 1瓦特=1焦耳/秒=1牛顿•米/秒

1.3 光学分类

光学：研究光的本质、特性、传播规律的科学
- 几何光学：以光线在均匀媒质中直线传播的规定为基础的研究（画点、画线）
- 物理光学：在证明光是一种电磁波后的研究（干涉、衍射等，光可以拐弯了）
- 量子光学：现代理论对光的本质所达到的认识，说明光是一种能量（粒子性和波动性，即波粒二向性）

1.4 光能分类

光度学与辐射度学：对光能进行定量研究的科学
光度学：只限于可见光范围，包含人眼特性
辐射度学：适用于从紫外到红外波段

1.5 描述辐射场的基本物理量

1.5.1 立体角

定义：它是一个空间问题，一个任意形状椎面体所包含的空间称为立体角。
单位：Sr (球面度)
示例：如下图所法， $\Delta A$ 是半径为R的球面的一部分， $\Delta A$ 的边缘各点对于球心O连线所包围的哪部分空间叫立体角。
计算公式：立体角的数值为部分球面面积与球半径平方之比，其计算公式如下：

$Ω = \frac{Δ A}{R^{2}}$
- 全求对应的立体角为： $4 \pi$
- 当角度很小时，可用小平面代替球面，5度以下时误差不大1%

1.5.2 辐射能（Radiant energy)

定义：通常把以电磁波形式传播的能量称为辐射能量，用 $Q$ 表示
单位：J(焦耳)
计算公式：

$Q = h f$
- H普朗克常数，f是光的频率, f=光速/波长

1.5.3 辐射功率/辐射通量(Radiant power/flux)

定义：单位时间内通过某一面积的光辐射能量
单位：W(瓦特)
计算公式：
$d Φ = \frac{d Q}{d t}$ $d{\Phi} = \frac {dQ}{dt}$

1.6 激光的危害

Damage to the eye (retina, corena)
烧伤皮肤(skin) （Skin burns）
激光对人体组织损伤的三种主要机制：
- 光热效应（Photothermal effect）
  进入组织表面的激光辐射在下层组织中被吸收，增加组织温度的过程
- 光化学效应
  吸收激光辐射直接改变组织成分化学结构的过程
- 光声效应
  声学效应来自机械冲击波，通过组织传播，最终损坏组织
激光与阳光的对比
光对角膜和视网膜的危害

1.7 激光的特性

这里写图片描述

Highly Collimated (高度准直 : 所有光线相对平行地传播，并且当它在空间中传播时扩散最小。)
Highly Coherent (高度相干，所有光线波长和相位都相同，可叠加)
Usually Monochromatic (单色)
High Power and Energy density
- Power density: 叫做irradiance (辐照度)
- Energy density: 叫做radiant exposure (辐射曝光量)
Pulsed or Continuous Emission

1.8 Power and Enery

Watt: 辐射功率的单位
Joule: 辐射能量的单位
Power = Energy/ Time
CW Lasers
- 连续激光的辐射：power(Watts) , 使用Irradiance (power density in $Watts/cm^2$ )度量
- The output power of the laser expressed in watts (W)
Pulsed Lasers
- 脉冲激光的辐射：energy Q (Joule) of each pulse, 使用Radiant Exposure (energy density in Joules/cm2)度量
- Total energy in a single pulse expressed in joules (J)
  $Q = \int_{t 1}^{t 2} P (t) d t$ $Q = \int _{t1}^{t2} P(t)dt$

Q_{p u l s e} = t_{p u l s e} \times P_{p e a k} = 20 \times 10^{- 9} \times 10 \times 10^{6} (J) = 200 (m J)

$Q_{pulse} = t_{pulse} \times P_{peak} = 20 \times 10^{-9} \times 10 \times 10^{6} (J) = 200(mJ)$

1.9 光束类型(Beam Type)

这里写图片描述

1.10 光源分类

表观光源的对向角（angular subtense of the apparent source）：参数 $\alpha$ , 在光束中给定眼睛的位置，对向角是当表观光源产生最小的视网膜光束图像（可通过眼睛调节来产生此最小图像）时的角度。下图简化为：1) 假设眼睛中充满空气 2）眼睛可以调节以观察非常靠近距离的物体

这里写图片描述

- Extended source：having an apparent source size with angular subtense of greater than 1.5 mradian
- Point source： having an apparent source size with angular subtense of less than 1.5 mradian

1.9 VCSEL

2 W平均激光功率的发射需要分析激光安全性。辐射通过漫射器在相当大的锥体上传播，各个VCSEL表面的亮度在整个区域上平均。由于这种扩展源的性质，根据IEC 60825-1：2014分类，也可以按照与IEC 62471-1：2006相同的方式进行分类。虽然可以应用这种限制较少的法规，但仍然根据更严格的激光安全法规设计产品。按此严格法规设计的产品，如下图所示，产品的平均发射功率为18 W，被认为是人眼安全的。这远远高于设备的最大发射功率 - 因此，在这种规范下，眼睛和皮肤的安全性得到保证。

2. 激光相关标准

2.1 美国联邦法规则 (FDA)

21 CFR Part 1040.10 Laser products
21 CFR Part 1040.11 Specific purpose laser products
Code of Federal Regulations：联帮法规
e-CFR: Electronic Code of Federal Regulations 联邦电子法规
Title 21: Food and Drugs 标题21：食品和药品
PART 1040—PERFORMANCE STANDARDS FOR LIGHT-EMITTING PRODUCTS 第1040部分 - 发光产品的性能标准
The Food and Drug Administration’s (FDA) Center for Devices and Radiological Health (CDRH) intends to amend its standards for laser products at 21 CFR 1040.10 and 1040.11 to harmonize many of its requirements with those of the IEC 60825-1 and 60601-2-22 standards.
美国食品和药物管理局（FDA）设备和放射健康中心（CDRH）打算在21 CFR 1040.10和1040.11修订其激光产品标准，以使其许多要求与IEC 60825-1和60601-2-22标准的要求相协调。

2.2 ANSI Z136.1

2.3 IEC (国际)

标准号：IEC 60825-1-2014
中文名称：激光产品的安全.第1部分:设备分类和要求
英文名称：Safety of laser products - Part 1: Equipment classification and requirements
发布日期：2014-05-01
标准号：IEC TR 60825-13:2011
英文名称: Safety of laser products - Part 13: Measurements for classification of laser products
发布日期: 2011-11
标准号：IEC 60601-2-22 Edition 3.1-2012
中文名称：医用电气设备.第2-22部分:外科,美容,治疗和诊断激光设备的基本安全性和必要性能的详细要求
英文名称：Medical electrical equipment - Part 2-22: Particular requirements for basic safety and essential performance of surgical, cosmetic, therapeutic and diagnostic laser equipment
发布日期：2012-10

3. FDA相关知识

3.1 激光工作模式

Single pulse (单个脉冲)
Repetitive pulse(序列脉冲): multiple pulses emitted
Continuous wave(CW连续波): continuous output for a period ≥ 0.25 sec

3.2 激光分类表

激光分类的决定性因素
- 功率(Power)
- 波长(Wavelength)
- 激光工作模式（single pluse, repetitive pulse, CW）
分类原则：激光分类基于激光在无辅助观察且无光学辅助观察时，超过可达发射限制（AEL）的可能性
激光分类

IEC 60825-1	FDA/CDRH	应用	描述
1	Class I	Laser printer, DVD	safe for eyes and skin 当用肉眼观察激光或借助于典型的放大镜（例如望远镜或显微镜）时，不能超过最大允许曝光量（MPE）
1M		Laser printer, DVD	total power < 0.5W, safe for skin, dangerous for the eye when optical instruments are used 通过肉眼瞳孔的功率小于Class 1的AEL，但是通过放大光学器件可以收集到眼睛中的功率高于Class 1的AEL,且低于Class 3B的AEL
1C		Laser hair removal
2	Class II	barcode scaner	safe for skin, eye: safe via blink reflex or aversion 它仅适用于可见光激光（400-700 nm）,如果发射时间小于0.25秒或者光在空间上不相干，则2级激光器限制为1mW连续波，或更多
2M	Class IIa	barcode scaner	safe for skin, dangerous for the eye when optical instruments are used 如果没有使用光学仪器观察，2M级激光器是安全的，因为眨眼反射。与1M级一样，这适用于具有大直径或大发散的激光束，对于该激光束，通过瞳孔的光量不能超过2级的限制。
3R	Class IIIa	Laser pointer	safe for skin, dangerous for the eye safety glasses recommended 使用3R级激光器，可以超过MPE，但伤害风险较低。 3R级可见连续激光器的功率限制为5mW。对于其他波长和脉冲激光，其他限制适用
3B	Class IIIb	projector, medical laser	如果直接暴露眼睛，则3B类激光是危险的，但是诸如来自纸张或其他无光泽表面的漫反射是无害的。用于315nm至远红外波长范围内的连续激光的AEL为0.5W。对于400至700nm的脉冲激光，极限为30mJ。
4	Class IV	projector, medical laser	4级是最高和最危险的激光类别，包括超过3B类AEL的所有激光器。根据定义，4级激光可以灼伤皮肤，或者由于直接，漫射或间接光束观察而导致破坏性和永久性眼睛损伤

这里写图片描述

$\color {red}{各类连续波最大允许功率}$

3.3 基本概念

Aperture (孔径)
激光产品的保护壳体中的任何开口，通过该开口发射激光辐射，从而允许人类接近（接触）这种辐射
Aperture stop(孔径光阑)
开口用于定义测量辐射的区域
Limiting aperture(限制孔径)
一个圆形区域，可在其上计算平均辐照度( $W·m^{−2}$ )和辐射曝光量 ( $J·m^{−2}$ )
Circular area over which irradiance and radiant exposure are averaged
Beam Diameter (Width 光束宽度)
du：包含u%的总激光功率（能量）的最小圆的直径
d63可用于确定光源的对向角
Beam Divergence (光束发散)
由光束直径限定的锥体（Cone）的远场平面角
如果光束直径上由距离 $r$ 分开的两个点为 $d_{63}$ 和 $d’_{63}$ ，则其发散度为：
$\varphi = 2 \cdot arctan(\frac{d'_{63}-d_{63}}{2r})$
Collimated Beam(准直光束)
发散角度很小或会聚的辐射光束
Continuous wave/CW (连续波)
激光器以连续方式输出，且持续时间大于或等于0.25s
Accessible Emission Limit/AEL (可接受发射极限)
在一个特定的类别里，允许的可接受辐射的最大值 (针对FDA的一个Class而言)
Maximum Permissible Exposure/MPE (最大允许曝光量)
The maximum permissible exposure (MPE) is the highest power or energy density (in $W/cm^2$ or $J/cm^2$ ) of a light source that is considered safe, i.e. that has a negligible probability for creating damage.
在正常情况下，照射到人身上而不会遭受到不利影响的激光辐射电平（指人的眼睛和皮肤可接受的最大曝光量）
Angular Subtense (对向角)
圆弧对向的平面角，即圆弧长度与圆弧半径的比值
Minimum Angular Subtense (最小对向角)
表观光源的对向角的值，当一个光源的对向角超过此值则被认为是扩展光源
对于小于的对向角，MPE和AEL与光源大小无关
Maximum Angular Subtense(最大对向角)
表观光源的对向角的值，当大于此值时，MPE和AEL与光源的尺寸无关(因为全部包含了，如点光源)

4. 激光安全参数及计算

LASER SAFETY PARAMETERS AND CALCULATIONS

4.1 光功率和能量(Optical Power and Energy)

功率与能量的关系

$P o w e r （ W ） = \frac{E n e r g y (J)}{T i m e (s)}$ $Power（W）= \frac{Energy(J)}{Time(s)}$
一个脉冲的能量

$Q_{P U L S E} = P_{P E A K} \times t_{P U L S E}$ $Q_{PULSE} = P_{PEAK} \times t_{PULSE}$
平均功率
$P_{A V G} = Q_{P U L S E} \times R e p$ $P_{AVG} = Q_{PULSE} \times Rep$

4.2 占空比（Duty Cycle）

The Duty Cycle of the laser is the fraction of time the pulsed laser is actually on. 即脉冲激光打开的时间
占空比 $D_C$
$D_{C} = t_{P U L S E} \times R e p$ $D_C = t_{PULSE} \times Rep$
$P_{A V G} = P_{P E A K} \times D_{C}$ $P_{AVG}= P_{PEAK} \times D_C$

4.3 辐照度和辐射曝光量(Irradiance and Radiant Exposure)

Irradiance (E) ( $W/m^2$ )
$E = \frac{P o w e r}{A r e a}$ $E=\frac {Power}{Area}$
Radiant Exposure(H) ( $J/m^2$ ): Radiant exposure经常用于pulsed laser，因为Irradiance不考虑脉冲的频率，时间宽度和能量。
$H = \frac{E n e r g y}{A r e a}$ $H=\frac {Energy}{Area}$

4.4 最大允许曝光量 Maximum Permissible Exposure (MPE)

Maximum permissible exposure (MPE) 最大允许曝光量
在正常情况下，照射到人身上而不会遭受到不利影响的激光辐射电平
眼睛(Eye)和皮肤(Skin)要分别计算
MPE可用以下两种方式表示：
- Irradiance ( $W/cm^2$ ) ：连续激光
- Radiant exposure ( $J/cm^2$ )：脉冲激光
MPE值的依赖因素：
- Wavelength
- Exposure time
- Tissue at risk, ocular or skin
- Spatial distribution of the beam
- Emission mode, CW or Pulsed

4.4.1 能量密度与曝光时间的关系 (各种波长)

符合IEC 60825的准直激光束在角膜上的最大允许曝光量（MPE）

4.4.2 功率密度与曝光时间的关系(各种波长)

这里写图片描述

4.4.3 能量密度与波长的关系（各种脉冲周期）

这里写图片描述

4.5 测量激光束的功率

可使用Power Meter测试激光束的功率
对于Pulsed Laser，Power Meter测量其平均功率(Average Power)，而不是最大功率(Peak Power)

5. 激光安全属性

分类表示特定激光系统的激光束的危害程度

5.1 可接受的发射极限 Accessible Emission Limit (AEL)

AEL是特定激光器CLASS中允许的最大可接受的激光辐射极限。一旦超过特定CLASS的AEL，则必须考虑下一个更高的CLASS。
可接受的发射极限值（AEL）：定义了特定CLASS允许的最大发射激光辐射。
AEL值：可使用MPE值决定 (其辐照度或辐射曝光量 x 限制孔径面积即可)
影响AEL值的因素：
- in a specified wavelength range （波长）
- In a specified exposure time (曝光时间)
- through a specified aperture stop (孔径光阑)
- at a specified distance(距离)

这里写图片描述

主要依赖
- MPE (with all of its dependencies)
- Limiting aperture
Class 1 AEL = MPE x （area of limiting aperture）

5.2 Nominal Ocular Hazard Distance (NOHD)

标准眼部危险距离
定义：从激光，光纤端或连接器到人眼的无阻碍光束轴的距离，超过该距离，辐照度或辐射曝光不超过眼睛适用的MPE
计算公式：

$N O H D = \frac{1}{ϕ} \sqrt{\frac{1.27 Φ}{M P E_{e y e}}} c m$
- $\phi$ : 在1 / e点测量的激光束的发散 (单位：rad)
- $\Phi$ : radiant power
NOHD的主要驱动因素是激光束的发散度，激光束的发散度越小，NOHD越大。

5.3 Nominal Skin Hazard Distance (NSHD)

标准皮肤危险距离
定义：来自激光器的无阻挡光束的轴线距离，超过该距离，辐照度或辐射曝光不会超过皮肤MPE
计算公式：

$N S H D = \frac{1}{ϕ} \sqrt{\frac{1.27 Φ}{M P E_{s k i n}}} c m$
- $\phi$ : 在1 / e点测量的激光束的发散 (单位：rad)
- $\Phi$ : radiant power

6. Laser Safety Calculation

按照标准中规定的孔径大小和距离，对于激光产品的辐射量进行测量，测量值与每类激光产品的可达发射极限(AEL)相比较，最终确定类别
辐射测量时应在激光产品对人体最不利的情况下进行（发散角较大的扩展光源经人眼聚焦可能在视网膜形成极小的像，使视网膜承受极大的能量密度，这种情况下，如果仅用简单的距离测量，会极大的低估其真实的辐射危险等级。为此，在进行辐射量测量之前，应对激光产品光源的输出特性进行评价，引入表观光源及表观光源对向角的概念）
表观光源(apparent source)
表观光源给出视网膜危害的评估位置，是在视网膜上可能形成最小影像的实或虚的发光体
根据不同激光产品的特点，输出端口不一，有些输出面可以直接作为辐射安全评估的发光位置，例如光纤输出口等。还有多数激光产品利用物理外壳对光束进行宽度限制，外壳孔径达到视网膜上的像仍为一个圆形孔径，而激光光束可以在视网膜上聚焦成很小的光点，这种情况就不适合把外壳孔径当作光源发光尺寸，需要利用成像光学计算其表观光源的位置及大小
表观光源对向角
表观光源对向角是从空间某处观察表观光源所张的对向角。对向角与激光发散角不同，它决定了眼睛通过适应性调节后产生的最小视网膜影像尺寸，通常小于激光发散角。在评价激光辐射对视网膜危害时，应按照标准中给出的最严格距离计算大小。根据物像关系，对向角越大，可能在视网膜上形成的光斑越大，相同辐射能量下的能量密度下降，可达发射的限值会相应的增大。