Bases physiques du LASER et applications Pr E. Garin Service de médecine nucléaire

1. Bases physiques du LASER et applications Pr E. Garin Service de médecine nucléaire Centre Eugène Marquis

2. Introduction L= Light A= Amplification S= by Stimulated E= Emission R= 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

3. 1. Bases du LASER • 1. 1. Mode de production • 1.1.1. Premier principe: émission stimulée • 1.1.2. Deuxième principe : la multiplication • 1.1.3. Troisième principe : inversion de population • 1. 1. 4. Quatrième principe: milieu actif • 1.2. Caractéristiques des LASER • 2. Effets et Applications • 2. 1. Effets biologiques • 2. 2. Effets mécaniques • 2. 3. Risques • 2. 4. Applications médicales

4. 1. Bases du LASER • 1. 1. Mode de production • 1.1.1. Premier principe: émission stimulée • Rappel : un atome excité retourne à un état plus stable en émettant spontanément (délai variable, quelques ns) un photon x de fluorescence d’énergie E= hn • Il est possible de contrôler ou stimuler l’émission de ce photon de fluorescence

5. Si un atome excité émettant spontanément un photon d’énergie hn est stimulé par un photon d’énergie identique hn, alors il émet simultanément en phase et dans la même direction ces deux photons d’énergie identique hn 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 désexcitation d’un atome voisin du milieu Einstein, 1917

6. 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

7. Quelques photons émis amorcent le processus • Chaque 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

8. Les principes de stimulation et de multiplication sont-il suffisant pour produire un faisceau LASER ? Non car normalement les atomes constitutifs d’un milieu sont très majoritairement présents dans un état fondamental (stable) => Nécessité d’augmenter la proportion d’atomes excités

9. L’équation de Boltzmann permet de connaître le nombre d’atomes à un niveau d’énergie donnée : Ni = A. e –Ei/kTavec 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 0.5eV à 27°C (300°K), 1eV= 1.6 10-19 J alors N1/N2 = 2.46 108

10. 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)

11. 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 chimique • A + B M* + N • 3) pompage électriques • Une décharge électrique peut exciter certains atomes (hélium)

12. 1. 1. 4. Quatrième principe: milieu actif L’inversion de population ne peut être réalisée que pour certains types de milieux Milieux pour lesquels les atomes restent suffisamment longtemps dans un état excité Nécessité d’avoir un modèle à 3 niveaux d’énergie Niveau 3 courte durée Niveau 2 prolongé 2 niveaux 3 niveaux E2 E1

13. 1.2. Caractéristiques des LASER • Le faisceau LASER est cohérent : • photons de même énergie E=hn • Même longueur d’onde l (E= hc/l et c= célérité dans le milieu considéré) • faisceau est monochromatique • émis en phase • même direction

14. Conséquences de la cohérence du LASER 1) Faisceau unidirectionnel ou parallèle => la fluence I (et le débit de fluence İ ) sont constant Fluence I = quantité d’énergie par unité de surface Débit de fluence İ = quantité d’énergie par unité de surface et de temps

15. 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 = 4pR2 avec R= 200cm • => İ = 100/(4.p.4 104)= 0.2 mWcm-2 • LASER: S cercle = pr2 avec r= 0.2cm • => İ = 100/(p.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

16. 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 Fréquence identiques, phase différentes Phase et fréquence identiques Fréquences différentes

17. 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, l= 694nm, rouge • - YAG: grenat d’yttrium et aluminium, l= 1064nm, infra-rouge • - verres dopés • - semi-conducteurs • Les LASER à milieu actif gazeux • Gaz carbonique (CO2), l= 10600nm, infra-rouge • Helium-Néon, l= 632nm, rouge • Argon, l= 500nm, bleu-vert • - Krypton, l= 570nm, jaune • - Helium-Cadmium, l= 440nm, violet

18. 2. Effets et Applications • 2. 1. Effets biologiques • Ils dépendent de la longueur d’onde l, 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

19. 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

20. 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?)

21. 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

22. 2.5. Applications médicales • Ophtalmologie • l comprise entre 400 et 900nm, 10-3 à 1s, 50mm 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

23. 2.5. Applications médicales Chirurgie : Hémostase (Argon ou YAG) Destruction tissulaire (CO2) Découpe chirurgicale (CO2)

24. 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