: Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Radiation

LASER

LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF

RADIATION

: Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Radiation

Découverte: T. Maiman, Juin 1960 Cristal de Rubis excité par lampes flash

J.P. Wolf

Processus Radiatifs

h ν

h ν

a) Absorption

E _m E _n

b) Emission Spontanée

E _m E _n

c) Emission Stimulée

E _m E _n

h ν

Amplification par Emission Stimulée

Pour des atomes ou molécules à l’ équilibre, le processus ci- dessus ne fonctionne pas:

Comment avoir toujours plus de particules dans l’état excité que dans l’état fondamental ?

h

m kT

n

N e N

− ν

=

Inversion de Population

UTILISER PLUS DE 2 NIVEAUX :

a) Laser à 3 niveaux E

E

E

LASER

Collisions (rapide) Excitation

Excitation LASER

Collisions (rapide)

Collisions (rapide) E

E

E

E

b) Laser à 4 niveaux

Exemple de Lasers à Gaz: N ₂

Transition Laser 337 nm

Excitation

Distance interatomique N-N

Energie E

X B

A

LE LASER A “AIR”

Eclateur

Feuille isolante Aluminum

220V Source Haute Tension

10M

Ω

10MΩ

:- Un MILIEU ACTIF: milieu dans lequel est réalisé l’inversion de

population, gaz (N2, HeNe, Ar, CO2,..), liquide (colorant), ou solide (Rubis, Nd:YAG, Ti:Saphir, diodes lasers..)

Ingrédients des Lasers

:- Une SOURCE D’ENERGIE DE POMPAGE: par des lampes flash, par des décharges électroniques dans des tubes, par le soleil, par un autre laser, par du courant électrique (diodes), par une réaction chimique, etc..

:- Une CAVITE RESONANTE: formée de 2 miroirs par exemple, dont l’un est 100% réfléchissant et l’autre pas. On augmente ainsi la

« longueur effective » du milieu laser amplificateur

Types de Lasers (continus)

Types de Lasers (impulsionnels)

Titane:Saphir 700-900 10-1000 10-100 Hz ns-us M,S,I

(Solide)

Laser à Gaz Classique

Fenêtre

Miroir à réflexion totale

Déc harg e d ans le g az ^Fenêtre

Miroir partiellement réflechissant

HeNe, Argon, CO

, N

..

Laser à Solide Classique

Rubis (Cr:Al

O

), Titane Saphir

(Ti: Al

O

), Nd:YAG, etc..

Diode Laser Classique

Sandwich de semiconducteurs (Si, GaAs, InGaAs, etc..)

:- GRANDE PURETE SPECTRALE: longueur d’onde d’émission très bien définie (typ. δλ/λ = 10

) -> « couleur très pure »

Propriétés des Lasers

:- GRANDE DIRECTIVITE: typ. 0,001 degré de divergence contre 360 degrés pour une lampe traditionnelle ou le soleil. Ceci lui permet d’être focalisé sur des taches extrêmement petites (micromètres)

:- COHERENCE: L’onde est émise en chaque point en phase avec le

point voisin; ceci permet de la faire interférer avec elle-même sur de

très grandes distances (interféromètres ex: ondes gravitationnelles,

holographie, etc..)

Exemple 1 d’applications en biologie:

Microscopie confocale de fluorescence

E1 E2 E3

Molécule Fluorescente Spectre = empreinte de la molécule

Excellente résolution : < 1 µ m

Exemple 1 d’applications en biologie:

Microscopie confocale de fluorescence

Utilisation de molécules sondes fluorescentes, spécifiques

Molécule Fluorescente

Anti-corps Anti-gène spécifique Cible

Cellule

d’osteosarcome

Marquées par

fluorescence rouge: ACTINE

Marquées par

fluorescence verte: TUBULINE

Aussi pour le séquençage

Exemple 2 d’applications en biologie:

“pincettes et micromanipulation optiques”

Forces dipolaires du champ électrique de la lumière du laser

Particule (cellule, bactérie, ADN, etc)

piégée optiquement

Exemple 2 d’applications en biologie:

“pincettes et micromanipulation optiques”

Mesure de forces dans l’ADN Forces de réplication, etc..

Séparer le RNA du DNA

Exemple 2 d’applications en biologie:

“pincettes et micromanipulation optiques”

Microdissection laser et piégeage

Applications des Lasers en Médecine

- Ophtalmologie : Cataracte, décollement de rétine, glaucome, dégénérescence maculaire, traitement de la myopie

- Chirurgie : Coagulation pendant le traitement, microchirurgie

- Urologie : Lithotritie (calculs rénaux)

- Dermatologie : Taches Lie de Vin, naevus, taches brunes, épilation, effaçage de tatouage

- Odontologie : Caries, plaque dentaire

- Oncologie : Photothérapie dynamique des cancers

Applications des Lasers en Médecine

Absorption dans le tissu

Applications en Dermatologie: Taches Lie de Vin

Applications en Dermatologie: Taches Lie de Vin

Avant traitement Après 1 seul passage

Applications en Oncologie: Photothérapie Dynamique

Molécule non-toxique à l’origine

dérivée du sang: hématoporphyrine

Cellules malades (cancer) éliminent cette substance plus lentement que les cellules saines :

Marquage des cellules malades

Tumour

Photosensitizer P hν

P P

P

P P

P

hν

hν

P P

Hours

PHOTOTHERAPIE DYNAMIQUE (PDT)

(p.ex. HpD, ALA-Protoporphyrin)