Modélisations de nouvelles sources laser pour applications médicales Cas d’un laser à fibre optique

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DE EL HADJ LAKHDAR DE BATNA

FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DES SCIENCES DE

LA MATIERE

MEMOIRE DE MAGISTER

Présenté par

DJETTAOU SOUAD

En physique

Option

Physique des rayonnements

Thème

Modélisations de nouvelles sources laser

pour applications médicales

Cas d’un laser à fibre optique dopée à l’erbium pour la chirurgie de la cornée

Soutenu le 03/07/2012 Examiné Par le Jury

S. TOBBECHE Professeur Université de Batna Président A. LECHEHEB Professeur Université de Constantine Examinateur A. SID Maitre de conférences A Université de Batna Examinateur D. BAHLOUL Professeur Université de Batna Rapporteur

2

Remerciements

Je tiens à exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes bienveillantes qui m'ont aidée, soutenue, conseillée, encouragée et que j'ai eu la chance de rencontrer pendant cette aventure scientifique. Je tiens donc à remercier chaleureusement :

Le Professeur Tobbeche Said de l’université de Batna pour sa confiance et son intérêt pour ce travail, et pour avoir accepté de présider le jury de thèse.

Le Professeur Lecheheb Ahmed de l’université de Constantine qui a accepté d’être examinateur de ce travail de thèse pour la lecture détaillée de ma thèse

Le maitre de conférences de l’université de Batna A.Sid qui a accepté aussi d’être examinateur de ce travail de thèse

Le professeur Bahloul Derradji qui a encadré ce travail de thèse, que j’ai particulièrement apprécié ses encouragements, sa disponibilité et ses précieux conseils.

Je suis également très reconnaissante envers, Le docteur Smadi Moussa pour son aide et ses encouragements, Ma Sœur Samia, Mes cousines : Nadjeh ,Ibtissem, Kenza, Ghania et mon amie B. Mebarka pour leur aide et soutient.

Enfin, ce travail n’aurait pu voir le jour sans le soutien de ma petite famille : Mon époux Mekki Tayeb mes enfants Hachem, Youcef ,Wissal et la petite Rayenne. cette thèse est naturellement dédiée à ma famille.

3

Contenu Introduction

chapitre I ... 12

I.1. Principes de base du laser... 13

I.1.1. Eléments constitutif du laser ... 14

I.1.2. Principe de fonctionnement ... 15

I.1.2.1 Le rayonnement électromagnétique ... 15

I.1.2.2 Etats discrets d’énergie ... 16

I.1.2.3 Transition entre les états d’énergie... 16

a. Absorption ... 17

b. Emission spontanée (fluorescence) ... 18

c. Emission stimulée ... 19

I.1.3. Processus de pompage et d’amplification ... 19

I.1.3.1 Les dispositifs de pompage ... 20

a. Pompage optique ... 21

b. Pompage électrique ... 21

c. Pompage chimique ... 21

d. Pompage par dissociation des molécules ... 21

I.1.4. Etablissement de l’oscillation laser et description des modes de la cavité ... 22

I.1.4.1 Inversion de population ... 22

I.1.4.2 Condition de seuil ... 25

I.1.4.3 Modes longitudinaux de la cavité ... 25

I.1.5. Réalisation des lasers continus et impulsionnels ... 26

I.1.5.1 Réalisation des lasers continus ... 26

I.1.5.2 Réalisation de lasers impulsionnels... 27

I.2. Les lasers appliqués en médecine ... 31

I.2.1. les lasers à solide ... 32

I.2.1.1 Le laser à rubis : ... 32

I.2.1.2 Le laser au néodyme : ... 32

I.2.1.3 Le laser KTP : ... 33

I.2.2. Les lasers à gaz ... 33

4

I.2.2.2 Le laser à Argon : ... 33

I.2.2.3 Le laser à krypton ionisé : ... 34

I.2.2.4 Le laser à gaz carbonique : le laser CO2 ... 34

I.2.2.5 Le laser à excimère : ... 34

I.2.3. les lasers chimiques ... 35

I.2.4. les lasers à liquide : les lasers à colorants organiques : ... 35

I.3. Caractéristiques du rayonnement laser ... 37

I.3.1. Monochromatique: ... 37

I.3.2. Cohérent : ... 37

I.3.3. Unidirectionnel : ... 37

I.3.4. Intense : ... 37

I.3.5. Puissance du faisceau et densité de puissance ... 37

I.4. Les cavités laser ... 38

I.4.1. Les cavités de type Fabry-Perot : ondes stationnaires ... 39

I.4.2. Cavités en anneau : ondes progressives ... 40

I.5. Les fibres lasers ... 42

I.6. Fibres dopées Erbium ... 44

I.6.1. Spectroscopie de l’ion erbium dans une matrice de silice ... 44

I.6.2. Zone d’émission ... 45

I.6.3. Le gain d’un laser ... 46

I.6.4. Longueur de la fibre ... 47

I.7. Conclusion ... 49

chapitre II ... 50

II.1. Effets du laser sur un tissu... 51

II.1.1. La réflexion ... 51

II.1.2. La transmission ... 51

II.1.3. La diffusion ... 51

II.1.4. Absorption ... 52

II.2. Effets sur les tissus biologiques ... 53

II.2.1. Dans l’ultraviolet ... 54

II.2.2. Dans l’ IR ... 54

5

a. Effet photo thermique ... 56

b. Effet photochimique... 60

c. Effets photodisruption ... 60

d. Effet photoablatif ... 60

e. Les effets photobiostimulants ... 61

f. Les effets non linéaires multiphotoniques ... 61

II.3. Choix du laser ... 61

II.3.1.1 Sélection de longueur d'onde ... 61

II.3.2. temps d'exposition ... 63

II.3.3. Puissance du laser ... 65

II.3.4. Problèmes des sources laser médicaux ... 69

II.3.5. Risques pour l’organisme ... 69

II.3.5.1 Les risques cutanés ... 69

II.3.5.2 Les risques oculaires ... 69

II.3.5.3 Risque toxique... 70

II.3.5.4 Risque par inhalation ... 70

II.3.5.5 Les normes ... 70

II.4. Conclusion ... 71

chapitre III ... 72

Modélisations de nouvelles sources laser médicaux pour la chirurgie de la cornée ... 72

III.1. Le tissu de la cornée et ses propriétés ... 73

III.1.1. Anatomie de la cornée... 73

III.1.2. Interaction lumière-cornée ... 74

a. Absorption ... 74

b. La diffusion ... 74

III.1.3. Optimisation de la longueur d’onde... 75

III.2. Simulation des lasers a une longueur d’onde de 1650 nm par un laser à électrons libres (LELs) ... 77

III.2.1. Les lasers à électrons libres ... 77

III.2.2. Longueur d’onde de 1650nm générée par un laser a électrons libres ... 77

III.3. Modélisation de l’amplification à 1600 et 1650nm dans des fibres dopées Erbium ... 80

6

...

III.3.2. Amplification en bande L ... 80

III.3.3. La méthode d’amplification... 82

III.3.4. Conception de la fibre utilisée ... 82

III.3.5. Les niveux d’énergies mise en jeux ... 83

III.3.6. Dynamique du laser ... 83

III.3.7. Modèles descriptifs des lasers ... 83

III.3.8. Le modèle des équations de bilan ... 84

III.3.9. Résolution des équations des populations atomiques : ... 85

III.3.9.1 Représentation du rapport des puissances de la pompe à l’entrée et à la sortie Q=PL /P0 a une longueur d’onde de 1600nm ... 87

III.3.9.2 Représentation de l’évolution des densités moyennes normalisées des populations a 1600nm ... 88

III.3.9.3 Simulation de la puissance de sortie a 1600nm ... 90

III.4. Modélisation de l’amplification à 1650 nm dans des fibres dopées Erbium ... 96

III.4.1. Représentation de la puissance de sortie et le gain a 1650nm... 96

III.5. Simulation du régime impulsionnel a une longueur d’onde de 1650 nm ... 100

III.6. Conclusion ... 102

Conclusion générale………...103

Annexe ………..106

7

Les figures

Figure 1 Schéma de principe de laser ... 14

Figure 2 Classification des ondes électromagnétiques ... 16

Figure 3 Représentation schématique des trois processus (a) absorption, (b) émission spontanée , (c) émission stimulée[57] ... 18

Figure 4 Schéma du principe de l’amplification d’une radiation à chaque aller-retour dans la cavité ... 20

Figure 5 Laser à deux niveaux ... 23

Figure 6 Laser à trois niveaux ... 24

Figure 7 Laser à Quatre niveaux ... 24

Figure 8 Fréquences d’oscillation du laser [35] ... 26

Figure 9 principe de modulation de la pompe d’un laser. ... 28

Figure 10 fonctionnement d’un laser Q-switché. ... 29

Figure 11 les différents types de laser ... 32

Figure 12 Cavité Fabry-Perot ... 39

Figure 13 Cavité en anneau... 39

Figure 14 Exemples de cavité en anneau ... 41

Figure 15 Schématisation d’une fibre optique à saut d’indice ... 42

Figure 16 Profil d’indice typique de la fibre optique à saut d’indice ... 43

Figure 17 Fibre laser ... 43

Figure 18 Principaux niveaux d’énergie [38] ... 45

Figure 19 : Sections efficaces d’émission et d’absorption typiques de l’erbium dans le verre d’après W.J. MINISCALCO et al. [39] et [47] ... 46

Figure 20 : Réflexion par un tissu biologique ... 51

Figure 21 Absorption de quelque tissu d’après [56] avec modifications. ... 54

Figure 22 : coefficient d’absorption de l’eau en fonction de la longueur d’onde ... 55

Figure 23 Les oscillations vibrationnelle de la molécule d’eau ... 55

Figure 24 Effets thermiques du laser ... 56

Figure 25 Conséquences de l'énergie thermique produite ... 59

Figure 26 Profondeur de pénétration de la lumière dans la peau en fonction de longueur d’onde [55] ... 62

Figure 27 La carte des interactions laser-tissu. [13] ... 63

Figure 28 Temps de relaxation thermique de l’eau [13]... 64

Figure 29: Anatomie de l’œil humain [41] ... 73

Figure 30Absorption de la cornée humaine [32] ... 74

Figure 31 : Transmission totale, transmission directe et diffusion de la cornée œdémateuse [59] ... 75

Figure 32 LEL : configuration oscillateur ... 78

Figure 33 Energie du faisceau d'électrons en fonction de la longueur d'onde du laser ... 79

Figure 34 Section efficaces de l’erbium et absorption-diffusion de la cornée reconstituée des références [39,47, 59] ... 81

8

Figure 35 Le schéma de principe du laser à fibre dopée à l’erbium ... 82

Figure 36 Les niveaux d’énergies mise en jeux ... 83

Figure 37 Représentation schématique de la structure énergétique de l’ion erbium ... 84

Figure 38 Evolution du rapport des puissances de la pompe à l’entrée et à la sortie Q=PL /P0 en fonction de la longueur de la fibre ... 87

Figure 39 Représentation du rapport Q en fonction de la longueur de la fibre à des valeurs de densité différentes du dopant ... 88

Figure 40 Evolution des densités moyennes normalisées des populations h1 et h2 ... 89

Figure 41 Densités moyennes normaliséesh1 et h2 ... 90

Figure 42 Evolution de la puissance en fonction de longueur de la fibre à N0=1x1025 m-3 (ls=1,6µm) ... 91

Figure 43 Evolution de la puissance en fonction de longueur de la fibre... 92

Figure 44 Evolution de la puissance en fonction de longueur de la fibre... 93

Figure 45 Evolution du gain en fonction de longueur de la fibre ... 94

Figure 46 Evolution du gain en fonction de la puissance de pompe ... 95

Figure 47 Evolution de la puissance en fonction de longueur de la fibre... 96

Figure 48 Evolution de la puissance en fonction de longueur de la fibre N0=3.1025m-3 (ls=1,65µm)... 97

Figure 49 Evolution du gain en fonction de longueur de la fibre et la puissance de pompe pour des valeurs de P0 (ls=1,65µm) ... 98

Figure 50 Evolution du Gain en fonction de la puissance de la pompe ... 99

Figure 51 Configuration des cavités laser émettant en régime de modes déclenchés ... 100

9

INTRODUCTION

Laser médical : la nouvelle force

On en parle du laser comme d’une révolution dans le

monde de la médecine. Le laser est devenu la nouvelle

pratique de nombreux soins médicaux. De la Chirurgie,

Ophtalmologie, Cancérologie, l’Esthétique Serait-il la

solution miracle ?

C’est une invention très simple cette amplification par

émission stimulée de rayonnement, Le laser a permis de

formidables avancées technologiques mais également

médicales.

10

Dès leurs réalisation, les Lasers ont fait de nombreux progrès en médecine, comme en ophtalmologie, en dermatologie et en cardiologie.[13]1

En fonction de leurs caractéristiques techniques (milieu laser, longueur d'onde, puissance, temps d'interaction, etc.) les lasers entrent en interaction avec les tissus biologiques. De nombreuses études ont été menées pour étudier les effets d'interaction en utilisant tous les types de systèmes laser et les tissus cible. Il a principalement cinq catégories de types d'interaction. Ce sont les interactions photochimiques, thermiques, photoablation et photodisruption. Chaque type d'interaction avec un échantillon de tissus sera introduit par des observations qui seront prises en considération pour simuler ou fabriquer le laser approprié. Depuis, les développements progressifs de la technologie laser ont permis de proposer plusieurs nouveaux paramètres de fonctionnement. La variation de ces paramètres tels que la longueur d’onde, l’énergie, la puissance, les conditions de focalisation ou encore la durée de l’interaction donnent aujourd’hui accès à un grand nombre d’autres applications médicales. Le travail effectué au cours de cette thèse consiste à évoquer les nouvelles sources laser susceptibles d’être utilisable en médecine précisément en chirurgie de la cornée, et faire leurs modélisations. Il y a des nouveaux lasers qu’on peut utiliser en chirurgie comme le laser a électron libre qui peut générer une large gamme de longueurs d’onde, qu’on peut utiliser dans plusieurs domaines mais il n’est pas facile à installer, très encombrant et très cher. Les lasers à fibre dopée en terre rare sont plus pratiques, légers, pas très couteux. C’est pour ces raisons que nous avons choisi à simuler un laser à fibre dopée erbium.

Le premier chapitre de ce mémoire sera consacré au fonctionnement du laser et à l’état de l’art des lasers médicaux. Après un bref rappel historique, seront développées les bases physiques et le principe de fonctionnement du laser, ensuite nous détaillerons, les différents types de laser utilisés en médecine.

Le second chapitre s’intéressera aux interactions du laser avec le tissu biologique. Afin de développer de nouveaux lasers ou systèmes laser il est nécessaire d’approfondir la connaissance des mécanismes d'interaction laser-tissu, et s’intéresser précisément au tissu de la cornée pour en extraire les caractéristiques du laser destiné à la chirurgie de la cornée.

11

Le dernier chapitre sera consacré à une étude analytique de deux lasers destinés à la chirurgie de la cornée. En commençant par l’investigation théorique d’un laser à électron libre à la longueur d’onde de 1650nm. Nous analyserons les résultats et nous préciserons les inconvénients de se laser. Ensuite nous modéliserons le laser à fibre dopée erbium à deux longueurs d’ondes 1600 et 1650nm.

Nous étudierons la dynamique du laser fibré à l’aide des équations de bilan, l’évolution de la puissance de pompe, les densités moyennes des trois niveaux, la puissance de sortie et présenterons les résultats de cette investigation théorique de cette source laser continue. En fin nous évoquerons l’utilisation d’un dispositif dans la cavité pour la réalisation d’un laser impulsionnel qui réalisera des coupes très propre au niveau du tissu de la cornée même œdémateuse.

12

Chapitre I

Principes et fonctionnement du laser

Le laser est une source de rayonnement allant de l’infrarouge à l’ultraviolet, le laser est constitué de trois éléments : un milieu actif, une source d'énergie extérieure et un résonateur optique. Le laser résulte de l’interaction d’un rayonnement électromagnétique avec le milieu amplificateur. La diversité des milieux actifs permet d’obtenir des lasers de différentes longueurs d’ondes, comme ils offrent la possibilité de fournir de l’énergie lumineuse sous forme d’impulsions brèves.

Le processus d’émission de la lumière d’un laser est responsable de toutes ces caractéristiques. Un faisceau laser est monochromatique, cohérent, unidirectionnel et intense, peut être obtenue dans plusieurs types de cavités, la plus performante est la cavité fibrée. En dopant des matrices de verre avec des ions de terres rares on obtient des fibres laser, facile à utiliser en médecine et avec un faible cout.

13

Le mot L.A.S.E.R est constitué par les initiales de l’expression anglaise «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» c'est-à-dire «Amplification de Lumière par Emission Stimulée de rayonnement» proposé par GORDON GOULD en 1957.

EINSTEIN [1] 1en 1917 a introduit le principe sur lequel repose Le fonctionnement d’un LASER qui est l’émission stimulée, et ainsi suppose que la lumière se compose de quanta d’énergie pour expliquer les phénomènes d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée. Il a montré qu’en stimulant un atome excité il émet un photon, cette stimulation est fournie par un photon d’énergie donnée qui induit la désexcitation d’un atome d’un niveau d’énergie supérieure vers un niveau d’énergie inférieure. Celle-ci s’accompagne de l’émission d’un photon de caractéristiques identiques à celles du photon inducteur. Ainsi, les photons identiques se multiplièrent. Il y a alors amplification de la lumière.

Le premier laser (à Rubis) à été réalisé par T.H MAIMAN aux U.S.A, il a commencé à fonctionner en 1960.

En 1961, le professeur Ali JAVAN (un Iranien) réalisa le premier laser à gaz : le laser Hélium-Néon.

En 1966, quatre équipes mirent au point indépendamment le premier laser à semi-conducteurs [8]2, [9]3,[10]4, [11]5. Depuis, le terme LASER est devenu un nom commun.

I.1.

Principes de base du laser

Le laser est une source de rayonnement pouvant produire d’intenses champs électromagnétique dans des bandes spectrales extrêmement fines, allant de l’infrarouge à l’ultraviolet.

1_{[1] A. Einstein, “On the quantum theory of radiation,” PhysicalischeZeitschrift, vol. 18,pp.}

121–128, 1917.

2 _{[8] R. N. Hall, G. H. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. D. Carlson Physical Review} 3 _{[9] N. J. Holonyak and A. F. Bevacqua, Applied Physics Letters, vol. 1, p. 82, 1962.}

4 _{[10] M. I. Nathan, W. P. Dumke, G. Burns, F. H. J. Hill, and G. Lasher , Applied Physics}

Letters, vol. 1, p. 62, 1962.

5 _{[11] T. M. Quist, R. H. Rediker, R. J. Keyes,W. E. Krag, B. Lax, A. L. McWorther, and H.}

14

I.1..1

Eléments constitutif du laser

1- Amplificateur (un milieu actif) :

C’est un ensemble d’atome, de molécules ou d’ions qui émettent un rayonnement [15]1 .ils ont des niveaux d’énergie discrets qui s’excitent facilement et ont la capacité de stocker l’énergie reçue de l’extérieur par interaction avec un rayonnement électromagnétique. La longueur d’onde de l’émission laser dépend du milieu actif.

2- Le pompage

Pour exciter les espèces chimiques du milieu actif il faut appliquer une source d'énergie extérieure : lumière, chaleur ou énergie électrique

3- Un résonateur optique (Cavité optique)

Le résonateur optique constitué de deux miroirs réfléchissants au centre desquels se trouve le milieu actif. Figure 1

1_{[14] H.Maillet.Le laser :principe et techniques d’application.1990.Lavoisier}

Figure 1 Schéma de principe de laser

Propagation de photons par effet laser

Source d’énergie

Matériau

optiquement actif

Faisceau laser

Miroir totalement réfléchissant

Miroir partiellement réfléchissant

15

I.1..2

Principe de fonctionnement

I.1..2.1. Le rayonnement électromagnétique

Le rayonnement électromagnétique est constitué de photons (quanta d’énergie lumineuse) qui se déplacent en onde. Il représente les oscillations du champ électromagnétique.

Ce rayonnement électromagnétique est caractérisé par une fréquence ν(en Hz), sa vitesse est constante et est appelée célérité de la lumière c (300000 km.s-1), la longueur d’onde est notée l(nm). Dans le vide la relation entre la fréquence et longueur d’onde :

λ = (I.1)

Les interactions entre matière et rayonnement résultent de l’absorption ou de l’émission de photons. Chaque photon possède une énergie E s’exprime en joule(j) ou en électron volt (eV) (1eV=1.6 10-19 j) proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique :

E=h.ν (I.2) h: est la constante de Planck (6.63 10-34 j /s).

ν : fréquence(en Hz)

Le spectre électromagnétique s’étend des ondes radios les plus longues (leur longueur d’onde se mesure en km) aux rayons X et γ.

Les radiations lumineuses couvrent les fréquences optiques [16]1_{, c’est-à-dire l’infrarouge, le}

visible et l’ultraviolet.

16

Figure 2 Classification des ondes électromagnétiques

I.1..2.2. Etats discrets d’énergie

Chaque atome est formé d’un noyau entouré d’un nuage électronique en orbite répartis sur différentes couches.

Les électrons en orbite autour du noyau possèdent une énergie bien définie, dite «quantifiée » à laquelle correspond un « état stationnaire » de l’atome. Chaque niveau d’énergie est caractérisé par une configuration précise des couches électroniques. La configuration d’énergie minimale stable est appelée « état fondamental ».

Cependant, en pratique, les processus que nous allons décrire font intervenir un nombre de niveaux souvent très limité.

Les processus de base du fonctionnement d’un laser peuvent être expliqués, en considérant que le milieu actif est composé d’un atome à deux niveaux d’énergie.

I.1..2.3. Transition entre les états d’énergie

Un atome, en présence d’un champ électromagnétique, peut effectuer une transition

1_{[14] entre un étatI1> d’énergie stationnaire E}

1 et un étatI2> d’énergie E2.

1 _{[14] H.Maillet.Le laser :principe et techniques d’application.1990.Lavoisier}

17

Chaque niveau d’énergie Ii> est caractérisé par : – son énergie Ei ;

– sa dégénérescence gi : le niveau peut être considéré comme un ensemble de gi sous

niveaux de même énergie ;

– sa densité de population, c’est-à-dire le nombre d’atomes possédant cette énergie dans le système considéré par unité de volume occupé par le milieu atomique. Ce terme est plus simplement appelé population du niveau Ii> que nous notons Ni ;

– sa durée de vie ti qui correspond au temps caractéristique de dépeuplement de ce

niveau. Ainsi, si à l’instant t = 0, la population du niveau vaut Ni(0), elle sera, à un instant t > 0,

égale à Ni(t) = Ni(0) e−t/ti (I.3)

A ce temps est associé le taux de relaxation γi

= 1/ti

De nombreux processus tels que l’émission spontanée, les collisions entre atomes ou l’excitation de phonon dans un solide, sont à l’origine du dépeuplement d’un niveau.

Dans un système à deux niveaux d’énergie, les populations de chacun des niveaux sont reliées par la relation :

kB : la constante de Boltzmann,

T : la température absolue.

Les différents processus d’interaction entre un atome à deux niveaux et un rayonnement électromagnétique ont été mis en évidence par Albert EINSTEIN en 1917 [1]1.

a. Absorption

L’atome soumis à un champ électromagnétique peut absorber un photon (énergie extérieure) et passer de l’état I1> d’énergie E1 à un état I2>d’énergie supérieur E2 un des électrons

1 _{[1] A. Einstein, “On the quantum theory of radiation,” Physicalische Zeitschrift, vol. 18,pp.}

18

gravitant autour du noyau de l’atome va passer sur une orbite supérieure et augmente l’énergie interne de l’atome c’est l’état excité.

s12Ф : La probabilité de transition par atome et par unité de temps

Ф : Le flux de photons, le nombre de photons incidents par unité de surface et de temps qui s’exprime donc en s−1m−2

s12 : section efficace d’absorption, c’est une grandeur caractéristique du milieu atomique dont

la valeur est déterminée dans le cadre de la description quantique du couplage entre le champ et le milieu atomique qui s’exprime en m2.

Donc l’absorption est un processus induit par le champ électromagnétique.

Figure 3 Représentation schématique des trois processus (a) absorption, (b) émission spontanée , (c) émission stimulée1

[57]

b. Emission spontanée (fluorescence)

Un atome dans un état excité d’énergie E2 qui est instable effectue spontanément une

transition vers un état de plus petite énergie E1 par émission d’un photon d’énergie hv21. Si de

nombreux atomes sont simultanément dans un même état excité, l’émission collective sera alors étalée dans le temps : c’est le phénomène de fluorescence.

Taux d’émission spontanée ou coefficient d’Einstein que nous notons A21est la probabilité par

unité de temps qu’un atome passe d’un niveau d’énergie supérieure à un niveau d’énergie inférieure par émission spontanée, exprimé par

1[57] Claude Rullière.Femtosecond Laser Pulses. Principles and Experiments.2004.Springer

2 1 2 2 1 1 (a) (b) (c)

19

A21=1 /tspon (I.5)

Ce taux est une caractéristique de l’atome et de la transition considérée.

tspon :Le temps caractéristique de désexcitation des atomes est appelé durée de vie

moyenne de l’état excité.

L’émission spontanée a un caractère aléatoire et un processus totalement désordonné. Le rayonnement issu d’une source qui repose sur ce principe à toutes les directions de propagation sont équiprobables. On les appelle sources à émission incohérente

Il y a des désexcitations non radiatives qui dépeuplent les niveaux énergétiques mais sans émission de photons, l’énergie est cédée à d’autres atomes du milieu

c. Emission stimulée

Elle correspond au processus inverse de l’absorption : l’atome excité libère un photon induit provoquée par l’arrivée d’un photon inducteur de même énergie. L’atome passe d’un état d’énergie E2 à un état d’énergie inferieur E1.le photon émet à même fréquence, même

direction, même phase et même polarisation que le photon inducteur.

Dans chaque cas, l’atome subit une modification de son énergie d’une quantité E2 − E1, alors

que le champ perd ou gagne un photon de fréquence :

v =

Où h = 6, 626.10−34_{J.s correspond à la constante de Planck.}

Le faisceau de lumière incident «s’enrichit» en photons identiques, il y a alors amplification de lumière.

I.1..2.4. Processus de pompage et d’amplification

Pour que le phénomène d’amplification ait lieu, et par conséquent, pour que l’oscillation laser s’établisse, il est indispensable que le milieu actif soit en inversion de population. La population du niveau I2> doit donc être supérieure à celle du niveau I1>. Cette opération exige un apport d’énergie extérieur (pompage) 1[15]. De sorte qu'un grand nombre de ces

20

atomes absorbe suffisamment d'énergie pour passer à un stade d'excitation supérieure. Lorsqu’un photon entre en collision avec un atome excité, l'émission stimulée se produit.

Figure 4 Schéma du principe de l’amplification d’une radiation à chaque aller-retour dans la cavité1

L'amplification de la lumière se produit par aller-retour des photons à travers le milieu actif délimité à ses extrémités par deux miroirs R1 et R2. Le miroir R2 du côté qui émet le faisceau

laser est partiellement réfléchissant, d'une part laissant passer une partie des photons qui le heurtent pour qu'ils constituent l'émission laser, d'autre part en réfléchissant le reste des photons en direction du milieu actif pour qu'ils continuent à stimuler la libération d'autres photons par les atomes excités. Le miroir R1 réfléchit l'ensemble des photons qui viennent le

frapper en direction du milieu actif. En conséquence, un certain pourcentage des photons ainsi générés fait le va-et-vient entre les deux miroirs à la vitesse de la lumière, stimulant ainsi l'émission d'autres photons par les atomes excités.

I.1..2.5. Les dispositifs de pompage

L’apport d’énergie extérieur est réalisé par des processus dits de pompage 2[14] qui excitent les atomes du milieu actif.

Les méthodes de pompage sont nombreuses (pompage optique, pompage électrique...) et diffèrent suivant le type de laser.

1 _{[15]Anthony E. Siegman;LASERS 1986 by University Science Books.} 2 _{[14] H.Maillet.Le laser :principe et techniques d’application.1990.Lavoisier}

Milieu amplificateur

21

a. Pompage optique

L’utilisation d’une autre source de rayonnement comme dispositif de pompage est la méthode la plus directe pour obtenir une inversion de population. Une source cohérente (Comme un autre laser) ou incohérente (lampe flash, lampe à arc) émet un rayonnement qui excite les atomes. Le pompage optique est presque le seul utilisé pour les lasers à solide.

b. Pompage électrique

Le Pompage électrique (par décharges électriques ou par faisceau d’électrons) concerne principalement les lasers à gaz 1[14]. Les décharges peuvent être impulsionnelles ou continues. Des électrons sont créés dans le milieu gazeux : c’est l’ionisation. Ces électrons sont ensuite accélères à l’aide d’un champ électrique appliqué entre deux électrodes, au cours de leur trajet entre ces deux électrodes, les électrons entrent en collision avec les atomes du milieu gazeux et leur cèdent de l’énergie cinétique afin de les porter à l’état excité.

c. Pompage chimique

Cette technique consiste à mettre en place des réactions chimiques visant à former des molécules directement dans leur état excité. Les lasers chimiques peuvent fonctionner sans apport d’énergie électrique. La plupart des lasers chimique utilisent des réactions moléculaires en phase gazeuse.

Il existe deux catégories de lasers chimiques

– Les lasers chimique simples : la réaction chimique produit elle-même l’énergie lumineuse sans apport d’énergie extérieure ou à l’aide d’énergie extérieure pour démarrer ou maintenir la réaction.

– Les lasers chimiques à transfert : la réaction fournit toute l’énergie nécessaire mais celle-ci est transférée par collisions à une autre substance qui rayonne.

d. Pompage par dissociation des molécules

Certaines molécules diatomiques ne peuvent être liées qu’a l’état fondamental ils se dissocient immédiatement (avec émission de photons).

22

ü Afin d’analyser le fonctionnement d’un laser, il est intéressant de connaître les

évolutions temporelles de la différence de population entre les deux niveaux de la transition laser et du flux de photons. L’établissement de ces équations, dites d’évolution, dans le cadre du modèle des bilans (chapitre III)

I.1..3

Etablissement de l’oscillation laser et description des modes de la

cavité

I.1..3.1. Inversion de population

La différence entre les deux densités de population d’atomes N2 et N1 (des niveaux

supérieurç2> d’énergie E2 et inférieur ç1> d’énergie E1) est notée ΔN et est donnée par la

relation1 _:

Δ = − (I.7) Avec et sont les degrés de dégénérescence.

ü Lorsque ΔN est négatif, les densités de populations sont décroissantes : le nombre d’atomes au niveau d’énergie supérieur diminue. L’intensité de l’onde lumineuse diminue au cours de sa propagation.

ü Lorsque ΔN est positif, alors l’intensité de l’onde lumineuse augmente. Il se produit une inversion de population car l’étatI2> d’énergie excité E2 comporte plus d’atomes que l’état I1>d’énergie inférieur E1. Il y a alors amplification des radiations par émission stimulée.

Il est nécessaire de disposer d’un mécanisme de pompage qui fournit de manière sélective l’énergie aux atomes afin qu’un maximum d’entre eux soit dans le niveau d’énergie supérieur. I.1..3.2. Système à deux niveaux

Si le milieu actif d’un laser comprend deux niveaux d’énergie2, l’état fondamental I1> et l’état excité I2>, le nombre d’atomes qui passent du niveau I1> au niveau I2>par absorption est égal au nombre d’atomes qui passent du niveauI2> au niveauI1>par émission spontanée et

1_{[14] H.Maillet.Le laser :principe et techniques d’application.1990.Lavoisier}

23

stimulée 1[14]. Il est impossible de placer la majorité des atomes dans un état excité, donc d’obtenir une inversion de population. Les systèmes utilisés fonctionnent donc sur trois ou quatre niveaux d’énergie, ou avec un transfert résonnant d’énergie.

I.1..3.3. Système à trois niveaux

Dans un système à trois niveaux, le niveau terminal I1> d’énergie E1 est le niveau

fondamental. L’inversion de population s’effectue entre les niveaux I2> et I1>. Le niveauI3> d’énergie E3 est peuplé par pompage externe puis se désexcite rapidement de manière non

radiative vers le niveau I2>. Le niveau I2> doit avoir une durée de vie beaucoup plus longue pour qu’un maximum d’atomes y reste (niveau métastable).il faut fournir un fort pompage pour maintenir une population suffisante au niveau I2> car celui-ci est en communication directe avec l’état fondamental qui favorise la désexcitation 2[14]. Pour que l’inversion de population ait lieu, il faut plus de la moitié des atomes au niveau I2>.

1_{[14] H.Maillet.Le laser : principe et techniques d’application.1990.Lavoisier} 2 _{[14] H.Maillet.Le laser : principe et techniques d’application.1990.Lavoisier}

I1> I2>

24

I.1..3.4. Système à quatre niveaux

Dans un système à quatre niveaux, la majorité des atomes étant à l’état fondamental I0>, la différence des populations entre les niveaux I1> et I2> est quasiment nulle. Pour inverser les populations entre les niveaux I1> et I2>, il n’est pas nécessaire de dépeupler le niveau I1>, il suffit de peupler le niveau I2> (alors que dans le système à trois niveaux, il est nécessaire de dépeupler le niveau fondamental dans lequel se trouvent la majorité des atomes). L’intensité du pompage à fournir est alors moins importante. Les transferts non radiatifs entre I3> et I2> ainsi qu’entre I1> et I0> sont en général très rapides, le niveau I1> reste donc majoritairement vide. Il faut que le niveau I2> se dépeuple spontanément moins vite que le niveau I3>, le niveau métastable est généralement I2> de manière à obtenir nettement une inversion de population. 3 2 1 0 Laser Pompage optique Transition rapide Transition rapide 3 2 1 Laser Pompage optique Transition rapide

Figure 6 Laser à trois niveaux

25

I.1..4 Condition de seuil

Le flux de photons est géré par deux effets :

· Les pertes de la cavité font diminuer ce flux

· Le gain augmente ce flux si nous sommes dans le cas d’une inversion de population. Si ce gain devient supérieur aux pertes, la radiation issue de l’émission spontanée va voir son amplitude augmenter, mais pas indéfiniment elle va tendre vers une valeur stationnaire qui est obtenue lorsqu’il y a égalité entre le gain et les pertes 1[14] c’est La condition dite de seuil, tel que : ∆N = ∆

Pour obtenir une émission laser, la différence de populations entre les deux niveaux de la transition ∆N doit être supérieure à une valeur seuil ∆N qui permet la compensation des pertes de la cavité.

Pour 0 < ∆ < ∆ le laser n’émet aucune radiation, il est dit sous le seuil, et l’excédent de photons créés par émission stimulée est perdu par la cavité.

Le seuil d’oscillation laser est d’autant plus difficile à atteindre que les pertes de la cavité sont importantes (∆N est élevée) et que la section efficace d’émission stimulée est faible. Nous comprenons alors que l’obtention d’une émission laser implique :

ü L’atome ou la molécule possède une transition avec une section efficace d’émission spontanée suffisamment grande.

ü Avoir un processus de pompage efficace. ü réduire les pertes de la cavité.

I.1..5 Modes longitudinaux de la cavité

La condition de seuil montre que le laser n’émet pas de la lumière dans toute la plage de fréquences pour laquelle le gain est supérieur aux pertes 2[15].

1 _{[14] H.Maillet.Le laser :principe et techniques d’application.1990.Lavoisier} 2_{[15]Anthony E. Siegman;LASERS 1986 by University Science Books.}

26

Parmi toutes les fréquences comprises dans l’intervalle [wA, wB] (voir figure 8), seules celles

qui vérifient l’équation :

exp − = exp − 2 (I.8) Ou =

=

Ces fréquences notées wp (voir figure 8) correspondent à ce que nous appelons les modes

longitudinaux d’oscillation. L’écart en fréquence entre deux modes consécutifs, c’est-à-dire l’intervalle spectral libre (ISL= /2 ), (pour une cavité résonante linéaire de longueur L).

Figure 8 Fréquences d’oscillation du laser1[35]

I.1..6

Réalisation des lasers continus et impulsionnels

I.1..6.1. Réalisation des lasers continus

La libération d'énergie par onde continue dont l'intensité par unité de temps est constante. Le milieu actif est excite par un pompage continu alors l’émission est continue. Le temps d’exposition correspond au temps d’enclenchement et est régulé par un obturateur magnétique.

1_{[35]0. Svelto, Principals of lasers, 4th ed.(Plenum,Newyork, 1998).}

Pertes

27

I.1..6.2. Réalisation de lasers impulsionnels

Par opposition aux précédents, leur émission est à durée limitée dans le temps, semblables aux lumières de stroboscope ; l'énergie est délivrée sous la forme de séries de flashs intenses de très courte durée (de l'ordre de la milliseconde, de la nanoseconde ou même beaucoup plus courte). Elles peuvent donner au faisceau un aspect continu, si elles sont délivrées à une cadence suffisamment rapide, mais la différence est que le niveau d'énergie délivrée durant une impulsion (puissance maximale) est beaucoup plus grand que celui d'un laser à onde continue pour une même période de temps.

Donc on peut obtenir de l’énergie sous forme d’impulsion brève, tout en conservant une puissance moyenne à peu près constante. Cette possibilité permet d’atteindre des puissances instantanées très élevées, et donc de très grands champs électriques qui provoque des effets non linéaires, des ionisations multi-photonique et création de plasmas laser dans le milieu en interaction.

La création d'un faisceau laser pulsant peut être effectuée de différentes manières telles que la modulation de la pompe, le Q-Switch ou le blocage de modes.

a) Modulation de la pompe

On démarre le pompage, après un laps de temps pendant lequel l’inversion de population est suffisante à la création d’une oscillation laser. Le laser émet alors une impulsion. Pour obtenir une autre impulsion, le processus de pompage doit être arrêté pendant un temps long pour que le niveau I1> puisse se vider. Puis lors de la remise en marche de la pompe, le laser émet une seconde impulsion. En procédant ainsi, nous pouvons obtenir un train d’impulsions, les cadences sont conditionnées par la capacité du milieu amplificateur à retourner à l’équilibre thermique entre deux impulsions.

De nombreux lasers fonctionnent sur ce principe : nous pouvons citer l’exemple du laser à rubis de MAIMAN [7] 1ou les lasers à gaz haute pression. Les impulsions ainsi obtenues ont des durées typiques de l’ordre de la microseconde.

28

Figure 9 principe de modulation de la pompe d’un laser.

(a) Modulation de la pompe du laser

(b) Evolution temporelle du signal émis par le laser

b) Lasers Q-déclenchés (Q-switché)

Le "Q-switch", ou commutation du coefficient de qualité Q de la cavité appelé aussi mode déclenché, est une méthode très utilisée pour réaliser des sources impulsionnelles 1[42]. Les impulsions ainsi obtenues possèdent de nombreuses applications dans des domaines aussi variés que la découpe laser ou pour obtenir les effets de non-linéarités.

2 é é

La figure (10) décrit les principales étapes du Q-switch. Au début du processus, les pertes de la cavité sont très élevées et son facteur de qualité est très faible. Pendant que l’inversion de population se construit, les pertes de la cavité sont maintenues à un niveau élevé (b). Pour ne pas avoir une oscillation dans la cavité. Puis à un instant t0, les pertes sont brutalement

réduites (c). Le facteur de qualité de la cavité augmente brutalement, le seuil du laser devient plus faible, le gain très supérieur aux pertes, les atomes du niveau haut se désexcitent rapidement vers le niveau bas. Il y a une amplification du signal telle qu’une oscillation intense prend place dans la cavité. L’inversion de population devient insuffisante pour pouvoir entretenir le système, le laser émet alors une impulsion intense mais courte.

29

Figure 10 fonctionnement d’un laser Q-switché.

(a) les pertes dans la cavité (b) création du gain dans la cavité. (c) Les pertes diminuent (d) l’impulsion de sortie.

I.1..6.3. Méthodes pour la réalisation du laser Q-switché

On peut moduler les pertes par différentes façons :

a) Utilisation d’un absorbant saturable

Consiste à introduire dans la cavité, un absorbant saturable c’est un milieu passif, qui absorbe à la même fréquence que le laser. Cette absorption est caractérisée par un coefficient d’absorption qui dépend de l’intensité qui le traverse et qui sature plus vite que le milieu actif. Ainsi, tant que l’intensité émise par le milieu amplificateur reste faible, le

gain

gain

gain

30

milieu passif absorbe tous les photons. L’intensité émise par le laser reste proche de zéro. Tandis que l’inversion de population du milieu actif augmente, l’absorbant devient transparent et les pertes de la cavité diminuent, le laser émet alors une impulsion intense.

b) Utilisation d’un électro-optique

L’électro-optique est un cristal qui devient biréfringent sous l’influence d’une tension électrique, Au bout d’un aller-retour, cette radiation sort de la cavité par ce même élément, la commutation est réalisée en éteignant la tension appliquée au cristal.

c) Utilisation d’un acousto-optique

Dans ce modulateur une onde acoustique vient moduler l’indice de réfraction du cristal qui le compose formant un réseau de diffraction. La radiation qui circule dans la cavité est alors diffractée.

d) Utilisation d’un miroir rotatif

Cette méthode consiste à placer un des miroirs de la cavité sur une platine de rotation munie d’un moteur rapide. Ainsi, une oscillation ne peut prendre place dans la cavité qu’après une rotation du miroir. Méthode simple mais avec beaucoup d’inconvénient Les temps de commutation sont lents.

I.1..6.4. Le blocage de modes

a) Blocage de modes actifs

La première réalisation expérimentale du blocage de modes actif (ou active mode-locking en anglais) a été présentée Dans la référence1 [19]. Les impulsions sont obtenues en modulant les pertes de la cavité d’un laser. Cette modulation est obtenue grâce à un élément actif (un acousto-optique) dans le domaine fréquentiel, à la même fréquence que l’inverse d’un aller-retour dans la cavité.

1_{[19] L. E. Hargove, R. L. Fork, andM. A. Pollac, “Locking of He-Ne laser modes inducedby}

31 b) Blocage de modes passifs

On, se basa en 1964 sur les suggestions de GORDON pour montrer théoriquement que la modulation des pertes internes à une fréquence correspondant à l’intervalle spectral libre de la cavité permet d’obtenir du blocage de modes 1[20], donc basé sur une modulation passive des pertes.

I.2.

Les lasers appliqués en médecine

Dès leur apparition, les lasers ont été utilisés en médecine ce sont des sources de lumière potentiellement intéressantes car elles avaient trois caractéristiques qui les distinguaient des sources conventionnelles : la directivité, la possibilité de fonctionner en mode pulsé, et la monochromaticité.

La directivité, c'est à dire l'émission sous un fin faisceau parallèle, permet de transmettre cette lumière à l'aide d'une fibre optique de faible section. Avec des effets très variés sur les tissus surtout biologique.

Les propriétés du rayon laser, en particulier sa fréquence lumineuse, dépendent du milieu actif choisi pour remplir la cavité entre les deux miroirs. On a ainsi une grande variété de lasers : à gaz (hélium-néon, CO2, etc.), à solides (rubis, néodyme, etc.), à liquides, à colorants, à

semi-conducteurs. Il existe aussi des lasers à électrons libres, dont le principe est différent. Beaucoup de lasers sont peu puissants mais fournissent un faisceau en continu (les lasers à hélium-néon par exemple, qui sont très répandus), tandis que d’autres sont très puissants mais ne délivrent que des impulsions brèves.

La diversité des milieux actifs permet d’obtenir des lasers de différentes longueurs d’ondes. La gamme de longueurs d’onde accessibles ne cesse de s’étendre avec les années.

1_{[20] M. Didomenico, “Small-signal analysis of internal (coupling type) modulation of}

32

Figure 11 les différents types de laser

I.2..1

les lasers à solide

I.2..1.1. Le laser à rubis

:

L’élément actif est un barreau artificiel de rubis : cristal d’alumine Al2O3 renfermant des ions

chrome. Le rayonnement émis à une longueur d’onde de 694.3 nm et la puissance fournie peut arriver jusqu’à 100 MW. Il ne fonctionne qu’en mode impulsionnel. Il a été utilisé pour la photocoagulation rétinienne entre 1965 et 1968 et actuellement utilisé pour le traitement du glaucome.

I.2..1.2. Le laser à néodyme :

C’est le laser le plus connu à l’heure actuelle. Le néodyme est présent sous forme d’ions Nd3+ dans un matériel: verre ou cristal, le cristal le plus utilisé est le YAG (Yttrium, Aluminium, Grenat : Y3Al5O2).C’est un matériel dur et fragile, il possède des propriétés optiques, mécaniques et thermiques bien adaptées. La longueur d’onde d’émission se situe

33

dans l’infraouge à 1060nm. A cette longueur d’onde on peut véhiculer le rayonnement dans les fibres optiques traditionnelles, ce qui permet une installation et une utilisation plus facile. Utilisé en mode continu, l’effet obtenu est du type photocoagulation thermique.

Utilisé en mode pulsé ou bloqué l’effet est photomécanique on parle alors de photodestruction ou photosection. Il provoque la section tissulaire, pour cette fonction ce laser a un grand succès en médecine.

I.2..1.3. Le laser KTP :

Le laser KTP est un Nd YAG doublé en fréquence et qui émet dans le vert à 532 nm. Le Nd YAG est absorbé par les tissus, carbonise ou vaporise en fonction du mode d’utilisation (continu ou pulsé). Le laser KTP est absorbé par l’hémoglobine, il pénètre peu mais coagule bien. Pour détruire une masse tumorale on utilise alternativement les deux longueurs d’ondes c’est très pratique. De plus, on a aussi la possibilité de véhiculer le rayonnement dans les fibres optiques c’est très intéressant dans le cas de lésions difficiles a l’accès.

I.2..2

Les lasers à gaz

Le milieu est le plus souvent constitué de deux gaz, excitation se transfère par choc entre les deux gaz. A l’aide d’un pompage électrique.

I.2..2.1. Le laser à hélium néon :

Une décharge électrique excite les atomes d’hélium qui transfèrent leur énergie au néon qui, en se désexcitant va permettre l’émission laser. Les longueurs d’onde émises sont :

1150nm(infrarouge), 3390nm(infrarouge) et 632.8nm(rouge).

Le laser à hélium néon est utilisé dans le domaine des analyses médicales, dans les appareils pour radio et dans les thérapeutiques à infra rouges. Il est aussi utilisé en acupuncture.

I.2..2.2. Le laser à Argon :

Le milieu actif est l’argon ionisé et les longueurs d’ondes émises se situent entre 488 et 514

nm (vert bleu). Il peut être utilisé en mode continu ou en mode pulsé, chaque impulsion ayant

une durée de l’ordre de la milliseconde. Le faisceau peut être véhiculé par une fibre optique. Il est utilisé en dermatologie et en ophtalmologie.

34

I.2..2.3. Le laser à krypton ionisé :

Emet dans le domaine du visible et très semblable, par sa structure et ses caractéristiques, au laser à argon ionisé.

Le laser krypton est utilisé en mode continu ou pulsé. Les effets tissulaires sont essentiellement thermiques, le résultat est la coagulation tissulaire. Son usage en ophtalmologie se fait en sélectionnant, la longueur d’onde correspondant au rouge (647 nm).

I.2..2.4. Le laser à gaz carbonique : le laser CO2

Le premier laser CO2 a vu le jour en 1965, le milieu gazeux ne contient pas seulement des

molécules de CO2 mais aussi de l’azote et de l’hélium. Le système de pompage est électrique,

c'est-à-dire sous forme d’une décharge électrique. Dans le laser CO2, l’onde lumineuse

entretenue entre les miroirs et se propager librement dans le milieu amplificateur. La longueur d’onde du laser CO2 est de 10 600 nm avec une puissance optique fournie qui peut aller de 1 à

30 W ; sa longueur d’onde est fortement absorbée non seulement par l'eau mais aussi par les protéines, les acides nucléiques et les graisses. Ce laser est susceptible de carboniser ou de vaporiser les tissus biologiques. Ainsi, ses principales applications sont la section et l’ablation. Malheureusement, tous les matériaux optiques utilisés absorbent le faisceau, rendant difficile la construction d'endoscopes permettant son utilisation interne, son emploi se limite donc aux lésions de surface

I.2..2.5. Le laser à excimère

:

Le terme excimère signifie deux monomères (atomes ou molécules). Ce laser est produit par excitation d’un milieu dimère, émet dans la bande de l’ultraviolet. Les longueurs d’ondes varient selon les atomes du milieu de 110 à 400 nm. Les excimères les plus utilisés sont l’argon fluor et le xénon-chlore. Le laser à excimère permet de réaliser des pulsations courtes et très puissantes. Il permet d’obtenir plus de 700 pulsations par seconde.

En ophtalmologie ce laser est uniquement utilisé pour la cornée. Il permet de modifier les rayons de courbure de la face antérieure de la cornée c'est-à-dire utilisé pour le remodelage de cornéen ou de traiter les kératites.

35

I.2..3

Les lasers chimiques

Avec ces lasers, une réaction chimique exothermique cède une partie de l’énergie libérée sous forme de radiations laser. Ils permettent d’obtenir un laser dans l’infrarouge. Leur utilisation est essentiellement militaire.

I.2..4

Les lasers à liquide : les lasers à colorants organiques :

Le milieu utilisé dans ce laser se caractérise par des molécules fluorescentes sous l’influence d’une excitation comme la rhodamine ou la fluorescéine. L’excitation de ces molécules ce fait par d’autres lasers à Argon où à Nd-Yag. Leur rendement peut atteindre 20%, le choix du colorant détermine la couleur des rayons émis. L’intérêt de ces lasers réside dans le traitement sélectif de certaines tumeurs ou lésions. Les caractéristiques de ce laser lui permettent d’être polyvalent dans ses utilisations médicales, il pourra être utilisé en urologie, en ophtalmologie, en dermatologie.

Le tableau1 récapitule les lasers utilisé en médecine, leurs propriétés et leurs domaines d’application extrait des références suivantes 1[51], 2[50],et 3[14]

1 _{[51]V. Oswal. Principles and Practice of lasers in Otorhinolaryngology and head and neck}

surgery edited by 2002

2 _{[50] F. J. Duarte .Tunable LaserApplicationsSecond Edition OPTICAL SCIENCE AND}

ENGINEERING, Edited by 2009 CRC Press

3_{[13] Markolf H. Niemz, Laser-Tissue InteractionsFundamentals and Applications,}

36

Tableau1 les types de laser et leurs domaines d’application Type de

LASER d’onde (µm) Longueur et la couleur

Puissance de l’énergie

durée Mode

d’opération Rayonnement délivré par Application Argon

0.488-0.515 Bleu-vert

3-10W 0.1-10sec Continu Fibre optique Microchirurgie

d’œil, thérapie photo dynamique

CO2

10.6

infrarouge 10-60W 0.1-10sec Continu flexible/guide Bras

d’onde Chirurgie général, traitement des dents 10.6

infrarouge 250W 200µsec pulsé flexible/guide Bras

d’onde Chirurgie général et de l’œil, traitement des dents Nd :YAG 1.06

infrarouge 100W - Continu Fibre optique Chirurgie général,

traitement des dents 0.532(double

en fréquence) Q-switché Fibre optique ophtalmologie, Chirurgie,

dermatologie, thérapie photo dynamique

1.06 20mJ 30-100ps pulsé Fibre optique ophtalmologie

Ruby 0.694 3J

1µsec-20µsec Q-switché Fibre optique traitement photo Dermatologie, dynamique

Er :YAG 2.94

infrarouge 0.05-1.0J 300msec 100- pulsé Fibre optique superficiel de la Ablation

peau, traitement et chirurgie

dentaire

Ho :YAG 2.12

infrarouge

2J 300µs pulsé Fibre optique Ablation,

incision, Traitement du cancer laser Alexandrite 0.755 - Continu Pigmentation, tatouage, lésion 0.755 50ns-100µs pulsé Pigmentation, tatouage, lésion

Dye laser 0.570-0.650 15J Fibre optique Traitement des

tissus malin photodynamique

37

I.3.

Caractéristiques du rayonnement laser

Le processus d’émission de la lumière d’un laser est responsable de toutes ces caractéristiques1 [14]. Un faisceau laser est monochromatique, cohérent, unidirectionnel et intense.

· Monochromatique:

Contrairement à la lumière émise par le soleil ou par une ampoule qui est polychromatique (constitué de plusieurs longueurs d’ondes), celle produite par le laser est monochromatique : tous les photons émis dans un milieu actif ont la même longueur d’onde. D’où, chaque type de laser se caractérise par une longueur d’onde du spectre électromagnétique.

· Cohérent :

La lumière produite par un faisceau laser est ordonnée dans le temps et dans l’espace. Ainsi, chaque photon qui la compose oscille en même temps, de la même manière. La directivité de la lumière laser est une conséquence de sa cohérence.

· Unidirectionnel :

Le mode d’amplification par miroir de réflexion asymétrique permet de diriger le faisceau dans une direction unique.

· Intense :

Les lasers émettent une lumière très intense, leur lumière est concentrée sur une toute petite surface, ce qui limite l’interaction concentrée du laser avec le tissu.

· Puissance du faisceau et densité de puissance

La puissance d'un faisceau laser est l'énergie par unité de temps 2 [14] et ainsi les molécules de la cible absorbe de l’énergie et accroître le mouvement vibratoire des atomes.

La densité de puissance, quantité de puissance par étendue de surface, est calculée en divisant la puissance émise par le laser (habituellement en watts) par la surface de la cible du rayon laser.

1_{[14] H.Maillet.Le laser : principe et techniques d’application.1990.Lavoisier} 2 _{[14] H.Maillet.Le laser :principe et techniques d’application.1990.Lavoisier}

38

Densité de puissance = (I.9)

Dans la mesure où la cible est ronde, la surface sera définie par la formule S = πr où S est la surface et r le rayon de la cible. Ainsi, la densité de puissance varie inversement proportionnelle avec le carré du rayon.

Densité de puissance = (I.10) Intérêts de la densité de puissance en médecine :

ü la densité de puissance est proportionnelle au taux d'ablation des tissus

ü Suivant la variation de la densité de puissance varie l'atteinte thermique du tissu par :

– faible densité de puissance, le tissu est chauffé lentement et permet à la chaleur de

diffuser dans les couches voisines.

– forte densité de puissance, les surfaces tissulaires sont rapidement portées à la

température d'ébullition de l'eau intracellulaire, puis carbonisant ainsi les cellules organiques. la chaleur ne progresse pas bien loin, De ce fait, Plus l'intensité de puissance est grande, moins le dommage tissulaire thermique est grand.

Plusieurs centaines de types de lasers fonctionnent avec des longueurs d’onde variant de l’infrarouge à l’ultraviolet, en utilisant de nombreux milieux actifs. Seule une dizaine d’entre eux peut être utilisée au niveau médical 1 [22].

I.4.

Les cavités laser

La cavité résonnante est un élément essentiel à la réalisation d’un système laser. Dans le cas des lasers à fibre, les structures de cavité sont variées et dépendent souvent de l’application visée par le laser. Il y a Plusieurs exemples de structures résonnantes .La cavité résonnante d’un laser à deux rôles :

ü Le premier est de permettre au champ lumineux d’effectuer des passages successifs dans le milieu de gain afin d’obtenir l’amplification lumineuse et l’effet laser.

39

ü Le second rôle, qui est en fait une conséquence de la résonance, consiste à sélectionner des fréquences, à l’intérieur d’une plage spectrale.

Les cavités lasers peuvent être séparées en deux grandes familles de structures résonnantes.

I.4..1 Les cavités de type Fabry-Perot : ondes stationnaires

Les cavités de type Fabry-Perot, utilisant le concept d’ondes stationnaires et les cavités en anneau fonctionnant selon le principe des ondes progressives.

Pour réaliser une cavité laser Fabry-Perot en plaçant un milieu de gain entre des miroirs ou en utilisant une technologie fibrée de type réseaux de Bragg ou boucle de fibre qui est équivalente à un miroir et assure la contre-réaction. Le fonctionnement d’une cavité Fabry-Perot est basé sur l’établissement d’ondes stationnaires. La condition de résonance dans une

Diode pompe

Miroir

Dichroïque _{de sortie} Miroir

Fibre dopée Erbium Sortie laser

Diode pompe

Fibre dopée Erbium

Sortie laser

Coupleur Fibré

¯

Figure 12 Cavité Fabry-Perot

40

cavité Fabry-Perot implique que l’onde électromagnétique se retrouve en phase après un aller-retour dans la cavité. Cette concordance de phase impose qu’il n’y ait qu’un nombre fini de fréquences pouvant être entretenu dans la cavité laser. Donc on a un filtrage en fréquence. Les fréquences de résonance d’une cavité Fabry-Perot sont appelées modes longitudinaux

1_[16].

La création d’ondes stationnaires à l’intérieur de la cavité est à l’origine de la sélection spectrale des fréquences de résonance.

= + + 2 cos − + (I.11)

Où I1(z) et I2(z) représentent l’intensité des deux ondes et β1 et β2 leurs constantes de

propagation.

L’inversion de population d’un milieu amplificateur dépend de l’intensité à l’intérieur de la cavité, donc la modulation spatiale de l’intensité, entraîne une modulation spatiale de l’inversion de population du milieu de gain.

Cette modulation s’exprimant de la manière suivante : Δ

=

1+ ( )

=

Δ ₀

1+ ₁+ ₂+ 2 _{1 2}cos Δ /

(I.12)

I.4..2 Cavités en anneau : ondes progressives

On peut obtenir une cavité résonnante en anneau. La figure (15) montre que cette technique peut être utilisée aussi bien en optique massive qu’en optique fibrée. Mais, la structure de la cavité est beaucoup plus simple dans le cas de l’optique fibrée puisqu’elle est uniquement constituée d’un coupleur directionnel fusionné à une section de fibre optique.

On a L’ISL de la cavité est alors égale à

ISL =c/nL (I.13)

1_{[16] M. K. Davis, M. J. F. Digonnet et R. H. Pantell, “Characterization of clusters in rare}

earth doped fibers by transmission measurements”, J. Lightwave Technol., Vol. 13, pp. 120-126, 1995.

41

Où n : représente l’indice de la fibre

C : la vitesse de la lumière dans le vide L :la longueur de la cavité

De plus, la finesse de la cavité est gouvernée par le coefficient de couplage 1[45] du coupleur. Comme pour une cavité de type Fabry-Perot, plus la finesse est importante, plus l’énergie en résonance est grande, ce qui implique que le seuil de l’émission laser diminue.

(A)Structure utilisée en optique fibrée, (B) Structure utilisée en optique massive

Le premier avantage d’une cavité en anneau est qu’il est possible de réaliser des ondes progressives en incluant un isolateur optique à l’intérieur de la cavité. Le gain est plus homogène car aucune modulation ne vient perturber l’inversion de population. Il est alors possible de pomper le laser à un niveau bien supérieur à son seuil tout en conservant sa caractéristique monomode. De plus, ce mode peut extraire beaucoup plus de puissance du milieu de gain. Un autre avantage de ce type de cavité est la simplicité de réalisation en optique fibrée. Cette caractéristique permet de réaliser des sources lasers compactes facile à intégrer.

1 _{[45] B. Zhu et I. H. White, “Multiwavelength picosecond optical pulse generation using an}

actively mode-locked multichannel grating cavity laser”, J of LightwaveTechnol., Vol. 13, pp. 2327-2335, 1995.

(A) (B)

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I.5.

Les fibres lasers

Fibre optique

La fibre optique à saut d’indice est un guide d’onde diélectrique à symétrie cylindrique. L’indice de réfraction du cœur est légèrement supérieur à celui de la gaine. Le guidage de l’onde optique confinée dans le cœur est assuré par la compétition entre la diffraction et la réfraction moyennant une onde évanescente proche de l’interface cœur gaine du coté de la gaine. On peut aussi se faire une idée du guidage par des réflexions totales successives sur l’interface cœur gaine du côté du cœur. Le diamètre de la gaine de est généralement de 125 microns. Dans le cas d’une fibre unimodale le diamètre du cœur est de l’ordre quelques microns.

Figure 15 Schématisation d’une fibre optique à saut d’indice

Dans le cas des fibres à gradient d’indice l’indice de réfraction du cœur décroit avec la distance radiale de façon continu jusqu’à la valeur de celui de la gaine.

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Figure 16 Profil d’indice typique de la fibre optique à saut d’indice

Dans le cas des fibres lasers on procède au dopage du cœur par des ions actifs (typiquement des terres rares : Ytterbium, erbium, Praséodyme, Thulium …..) avec différentes concentrations figure ci-dessous

Figure 17 Fibre laser

La possibilité de réaliser des lasers à fibre a été démontrée dès le début des années soixante, en dopant des matrices de verre avec des ions de terres rares. Très rapidement un laser à fibre dopée néodyme pompé par lampe flash a été réalisé. Depuis, des lasers à fibre dopée avec différents ions de terres rares tels que l'holmium, l’ytterbium, le thulium ou le praséodyme ont été réalisés.

Les lasers à fibres sont des systèmes simples et puissants avec une bonne qualité de faisceau en régime continu et impulsionnel, et sont relativement faciles à utiliser. Les fibres lasers sont présentes dans tous les domaines elles sont faciles à manipuler en médecine.

En particulier, la démonstration de l'amplificateur à fibre dopée erbium fonctionnant autour de 1,55 µm en 1987 a apporté un progrès significatif dans le domaine des télécommunications