Indagine sulle radiazioni del raggio laser e sugli standard di sicurezza con enfasi sul fenomeno delle riflessioni diffuse

This PhD thesis presents a comprehensive investigation into the characteristics and risks associated with direct and reflected laser radiations, focusing particularly on the behavior of diffusely reflected laser beams from various substrates. The research aims to address critical gaps in the understanding of laser safety by examining both direct laser radiation and the nature of reflected laser beams, with a specific emphasis on whether diffusely reflected radiations exhibit Lambertian or non-Lambertian scattering. The study is anchored in a rigorous methodological framework that combines theoretical modeling, analytical techniques, and experimental investigations. High-power class 4 pulsed lasers, operating in the nanosecond range with a wavelength of 1064 nm, were employed to analyze the effects of laser beam interactions with substrates of varying surface roughness and material properties. Experimental setups involved direct radiation assessments, beam profile characterizations, and detailed analyses of reflected radiation patterns, utilizing tools such as power meters, beam profilers, photo-diodes, and oscilloscopes. Key findings reveal that diffusely reflected laser radiations often deviate from the Lambertian model, exhibiting significant variability influenced by surface roughness and laser spot diameter. This non-Lambertian behavior presents challenges for accurately predicting laser reflection intensities and underscores the importance of more sophisticated models in laser safety protocols. The research highlights the inadequacies of current safety standards, particularly IEC60825-4, in addressing non-Lambertian reflections and suggests the need for updated guidelines to better account for the complex nature of reflected laser hazards. Furthermore, the study explores the implications of using various materials surface finishing parameters such as surface roughness for example, for laser safety barriers, emphasizing the need for careful selection to mitigate risks from specular and diffuse reflections. The findings contribute to enhancing safety measures in environments where high-intensity lasers are used, offering valuable insights for industrial applications, optical measurement systems, and laser-material processing. This thesis advances the scientific understanding of laser radiation interactions, particularly the hazards associated with diffusely reflected beams, and proposes improvements to existing safety standards. The research provides a foundation for future studies and practical applications in laser safety, aiming to ensure more effective protection against potential laser-related injuries and damage. Keywords: Laser Safety, Diffuse Reflection, Lambertian Scattering, Non-Lambertian Reflection.

Questa tesi di dottorato presenta un’indagine approfondita sulle caratteristiche e sui rischi associati alle radiazioni laser dirette e riflesse, con particolare attenzione al comportamento dei raggi laser diffusamente riflessi da vari substrati. La ricerca si propone di colmare le lacune critiche nella comprensione della sicurezza laser esaminando sia le radiazioni laser dirette sia la natura dei raggi laser riflessi, con un’enfasi specifica sulla alutazione se le radiazioni diffusamente riflesse mostrano uno scattering Lambertiano o non Lambertiano. Lo studio si basa su un rigoroso framework metodologico che combina modellizzazione teorica, tecniche analitiche e indagini sperimentali. Sono stati utilizzati laser pulsati ad alta potenza di classe 4, operanti nell’intervallo dei nanosecondi con una lunghezza d’onda di 1064 nm, per analizzare gli effetti delle interazioni dei raggi laser con substrati di diversa rugosit`a superficiale e propriet`a materiali. Gli allestimenti sperimentali hanno incluso valutazioni delle radiazioni dirette, caratterizzazioni del profilo del raggio e analisi dettagliate dei modelli di radiazione riflessa, utilizzando strumenti come misuratori di potenza, profilatori di fasci, fotodiodi e oscilloscopi. I principali risultati rivelano che le radiazioni laser diffusamente riflesse spesso deviano dal modello Lambertiano, mostrando una variabilit`a significativa influenzata dalla rugosit`a superficiale e dal diametro del punto laser. Questo comportamento non Lambertiano presenta sfide per la previsione accurata delle intensit`a di riflessione del laser e sottolinea l’importanza di modelli pi`u sofisticati nei protocolli di sicurezza laser. La ricerca evidenzia le carenze degli attuali standard di sicurezza, in particolare IEC60825-4, nell’affrontare le riflessioni non Lambertiane e suggerisce la necessit`a di linee guida aggiornate per tenere meglio conto della complessit`a dei rischi da riflessione laser. Inoltre, lo studio esplora le implicazioni dell’uso di diversi parametri di finitura superficiale dei materiali, come la rugosit`a della superficie, per le arriere di sicurezza laser, sottolineando la necessit`a di una selezione accurata per mitigare i rischi derivanti da riflessi speculari e diffusi. I risultati contribuiscono a migliorare le misure di sicurezza in ambienti in cui vengono utilizzati laser ad alta intensit`a, offrendo preziose indicazioni per applicazioni industriali, sistemi di misurazione ottica e lavorazione dei materiali con laser. Questa tesi avanza la comprensione scientifica delle interazioni delle radiazioni laser, in particolare i rischi associati ai raggi diffusamente riflessi, e propone miglioramenti agli standard di sicurezza esistenti. La ricerca fornisce una base per studi futuri e applicazioni pratiche nella sicurezza laser, mirando a garantire una protezione pi`u efficace contro le potenziali lesioni e danni causati dai laser. Parole chiave: Sicurezza Laser, Riflesso Diffuso, Scattering Lambertiano, Riflesso Non-Lambertiano.