Bases physiques du LASER

et applications  

 

    

 Pr E. Garin

Service de médecine nucléaireCentre Eugène Marquis

L= LightA= AmplificationS= by StimulatedE= EmissionR= of Radiations

L’effet LASER correspond à la transformation d’une énergie d’origine quelconque en énergie lumineuse

L’objectif est de disposer d’un faisceau lumineux cohérent de forte énergie

Décrit par Towns en 1958: application récente

Introduction

1. Bases du LASER

1. 1. Mode de production1.1.1. Premier principe: émission stimulée1.1.2. Deuxième principe : la multiplication1.1.3. Troisième principe : inversion de population1. 1. 4. Quatrième principe: milieu actif1.2. Caractéristiques des LASER

2. Effets et Applications

2. 1. Effets biologiques2. 2. Effets mécaniques2. 3. Risques2. 4. Applications médicales

1. Bases du LASER

1. 1. Mode de production1.1.1. Premier principe: émission stimuléeRappel : un atome excité retourne à un état plus stable en émettant

spontanément (délai variable, quelques ns) un photon x de fluorescence d’énergie E= h

Il est possible de contrôler ou stimuler l’émission de ce photon de fluorescence

Si un atome excité émettant spontanément un photon d’énergie h est stimulé par un photon d’énergie identique h, alors il émet simultanément en phase et dans la même direction ces deux photons d’énergie identique h

Le retour à l’état stable n’est plus spontané mais provoqué par le photon incident

Les photons incidents peuvent venir d’une source lumineuse ou de la désexcitationd’un atome voisin du milieu

Einstein, 1917

1.1.2. Deuxième principe : la multiplication

La stimulation permet d’obtenir 2 photons cohérents c’est à dire :- de même énergie- en phase- de même direction

Pour obtenir un faisceau LASER il est nécessaire de multiplier ce phénomène

La multiplication se fait dans une cavité optique

- cylindre - bordé par 2 miroirs dont 1 semi-transparent

Quelques photons émis amorcent le processusChaque photon émis stimule à son tours l’émission de photons tous en phase,émis par les atomes excités du milieu

En plusieurs allers-retours entre les 2 miroirs :- une sélection de direction s’opère- le nombre de photons cohérents augmente

Quand le signal est suffisamment intense le miroir semi transparent laisse sortir le faisceau LASER

Les principes de stimulation et de multiplication sont-il suffisant pour produire un faisceau LASER ?

Non

car normalement les atomes constitutifs d’un milieusont très majoritairement présents dans un état

fondamental (stable)

=> Nécessité d’augmenter la proportion d’atomes excités

L’équation de Boltzmann permet de connaître le nombre d’atomesà un niveau d’énergie donnée :

Ni = A. e –Ei/kT avec A= constante de proportionnalité

k= Cste Boltzmann = 1.38 10 -23 J/°K T= température en ° Kelvin

La proportion d’atomes entre 2 niveaux d’énergie E2 et E1 est

N2/N1 = e –(E2-E1)/kT

Exemple :Si l’écart d’énergie entre un niveau stable (E1) et un état excité (E2) est de 0.5eVà 27°C (300°K), 1eV= 1.6 10-19 J

alors N1/N2 = 2.46 108

1.1.3. Troisième principe : inversion de population

Pour que le phénomène d’émission stimulée puisse s’amplifier il est nécessaire que :

Nb atomes excités >> Nb d’atomes stables

- plus il y a d’atome excités plus l’émission stimulée sera importante- s’il y a trop d’atomes stables, les photons stimulés émis par les atomes excités voisins, seront absorbés par ces atomes stables

Cette configuration s’appelle l’inversion de population

Elle s’obtient par l’apport d’énergie extérieure qui va exciter les atomes du milieu, ce processus est décrit sous le nom de pompage

Pompage optique découvert seulement en 1949 (A Kesler)

Il existe différents types de pompage :

-1) pompage optique :Apport au milieu d’énergie lumineuse : les photons émis par la source Lumineuse sont absorbés par le milieu et peuple le niveau d’énergie supérieur

2) pompage chimiqueA + B M* + N

3) pompage électriquesUne décharge électrique peut exciter certains atomes (hélium)

1. 1. 4. Quatrième principe: milieu actif

L’inversion de population ne peut être réalisée que pour certains types de milieuxMilieux pour lesquels les atomes restent suffisamment longtemps dans un état excitéNécessité d’avoir un modèle à 3 niveaux d’énergie

Niveau 3 courte durée

Niveau 2 prolongéE2

E1

2 niveaux 3 niveaux

1.2. Caractéristiques des LASER

Le faisceau LASER est cohérent :

- photons de même énergie E=h Même longueur d’onde (E= hc/ et c= célérité dans le milieu considéré) faisceau est monochromatique

- émis en phase- même direction

Conséquences de la cohérence du LASER

1) Faisceau unidirectionnel ou parallèle => la fluence I (et le débit de fluence İ ) sont constantFluence I = quantité d’énergie par unité de surfaceDébit de fluence İ = quantité d’énergie par unité de surfaceet de temps

Application numérique

Comparaison du débit de fluence à 2m d’une lampe de 100W et d’un LASER (r= 2mm) de 100W:

- Lampe: S sphère = 4R2 avec R= 200cm

=> İ = 100/(4..4 104)= 0.2 mWcm-2

- LASER: S cercle = r2 avec r= 0.2cm

=> İ = 100/(.0,04) = 795,7 Wcm-2

Même comparaison à une distance de 10m

- Lampe: R= 1000cm => İ = 7,9 10-6 Wcm-2

- LASER: r= 0,2 cm => İ = 795,7 Wcm-2

Conséquences de la cohérence du LASER

2) Photons émis en phase et de même fréquence augmentation de l’amplitude augmentation de l’énergie du faisceau

Phase et fréquence identiquesFréquence identiques, phase différentes

Fréquences différentes

Les différents types de LASER

1) La diversité des milieux actifs permet d’obtenir des LASER de différentes longueurs d’ondes

2) Les LASER à milieu actif solide- Cristaux :

- rubis, = 694nm, rouge - YAG: grenat d’yttrium et aluminium, = 1064nm, infra-

rouge- verres dopés- semi-conducteurs

3) Les LASER à milieu actif gazeux- Gaz carbonique (CO2), = 10600nm, infra-rouge- Helium-Néon, = 632nm, rouge- Argon, = 500nm, bleu-vert- Krypton, = 570nm, jaune- Helium-Cadmium, = 440nm, violet

2. Effets et Applications

2. 1. Effets biologiques

Ils dépendent de la longueur d’onde , de la durée d’exposition, de l’énergie déposée, de la nature du tissu exposé, de l’absorption du rayonnement

Effet thermique le plus fréquent

- 45° : hyperthermie tissulaire

- 50° : dénaturation des protéines

- 60° : effet de coagulation

- 80° : effet de dessiccation

Effet photochimique (LASER à courte longueur d’onde)

- destruction de certains acides aminé (tyrosine, tryptophane, phénylalanine)

- destruction du cytochrome C

2. 1. Effets biologiques

Les milieux les plus sensibles sont l’eau, la mélanine, l’hémoglobine

Milieux pour lesquels l’absorption des photons est la plus importante

2. 2. Effets mécaniques

Ils sont mal connus

Ils sont rencontrés avec des LASER de forte énergie avec des temps d’application brefs, ns ou ps)

Propagation d’une onde de choc

Pulvérisation de certain matériau (destruction des calculs?)

2. 3. Risques

Les risques sont liés principalement aux effets thermiques

Brulures

Lésions occulaires

Ils sont accrus si la longueur d’onde n’est pas dans le spectre visible

Port obligatoire de lunettes protectrices et éviter les surfaces refléchissantes

2.5. Applications médicales

Ophtalmologie

comprise entre 400 et 900nm, 10-3 à 1s, 50m à 1mm, 0 à 1 W)

Absence d’absorption par les milieux transparents (cornée, cristallin, vitrée)

Absorption importante par la mélanine (rétine) et hémoglobine (vaisseaux)

Traitement des décollements de rétine : photocoagulation à la périphérie des zones de déchirures pour les fixer

Traitement des rétinopathies exsudatives : coagulation des points de la paroi vasculaire où se produisent les exsudats

Chirurgie de la myopie

Contre indication: hémorragie vitréenne, opacité cristallinienne

2.5. Applications médicales

Chirurgie :

Hémostase (Argon ou YAG)

Destruction tissulaire (CO2)

Découpe chirurgicale (CO2)

CONCLUSION

LASER = faisceau de lumière cohérente, reposant sur l’émission stimulée, utilisé pour son énergie

Application médicales restent limitées (Ophtalmologie principalement)

Autres applications multiples

- Télémétrie (mesure distance terre-lune)

- Soudure

- CD, codes barres