LASER LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION. : Amplification de la Lumière par Emission Stimulée de Radiation

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1 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

2 Processus Radiatifs E m hν nm a) Absorption E n E m b) Emission Spontanée E n hν mn E m c) Emission Stimulée E n hν mn

3 Amplification par Emission Stimulée Pour des atomes ou molécules à l équilibre, le processus cidessus ne fonctionne pas: N N m n = e hν kt mn Comment avoir toujours plus de particules dans l état excité que dans l état fondamental?

4 Inversion de Population UTILISER PLUS DE 2 NIVEAUX: a) Laser à 3 niveaux E 3 LASER Excitation E 2 E 1 Collisions (rapide) b) Laser à 4 niveaux E 4 Collisions (rapide) Excitation LASER E 3 E 2 E 1 Collisions (rapide)

5 Exemple de Lasers à Gaz: N 2 B Energie E Transition Laser 337 nm A Excitation X Distance interatomique N-N

6 LE LASER A AIR Source Haute Tension Eclateur 10MΩ 10MΩ 220V Feuille isolante Aluminum

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9 Ingrédients des Lasers :- 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..) :- 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

10 Types de Lasers (continus)

11 Types de Lasers (impulsionnels) Titane:Saphir (Solide) Hz ns-us M,S,I

12 Laser à Gaz Classique Décharge dans le gaz Fenêtre Miroir partiellement réflechissant Fenêtre HeNe, Argon, CO2, N2.. Miroir à réflexion totale

13 Laser à Solide Classique Rubis (Cr:Al2O3), Titane Saphir (Ti: Al2O3), Nd:YAG, etc..

14 Diode Laser Classique Sandwich de semiconducteurs (Si, GaAs, InGaAs, etc..)

15 Propriétés des Lasers :- GRANDE PURETE SPECTRALE: longueur d onde d émission très bien définie (typ. δλ/λ = 10-5 ) -> «couleur très pure» :- 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..)

16 Exemple 1 d applications en biologie: Microscopie confocale de fluorescence E3 E2 E1 Molécule Fluorescente Spectre = empreinte de la molécule Excellente résolution : < 1 µm

17 Exemple 1 d applications en biologie: Microscopie confocale de fluorescence Utilisation de molécules sondes fluorescentes, spécifiques Cible Anti-corps Anti-gène spécifique Molécule Fluorescente Cellule d osteosarcome Marquées par fluorescence rouge: ACTINE Marquées par fluorescence verte: TUBULINE Aussi pour le séquençage

18 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

19 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

20 Exemple 2 d applications en biologie: pincettes et micromanipulation optiques Microdissection laser et piégeage

21 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

22 Applications des Lasers en Médecine Absorption dans le tissu

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24 Applications en Dermatologie: Taches Lie de Vin

25 Applications en Dermatologie: Taches Lie de Vin Avant traitement Après 1 seul passage

26 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

27 PHOTOTHERAPIE DYNAMIQUE (PDT) (p.ex. HpD, ALA-Protoporphyrin) Tumour P P P P P P Hours P P hν Photosensitizer P hν