émission spontanée puis émissions stimulées avec amplification du rayonnement

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1 E 3 E 3 E 3 émission spontanée puis émissions stimulées avec amplification du rayonnement doc.1 : amplification du rayonnement par émission stimulée dans un milieu actif Milieu doc.2 : schéma de principe du LASER doc.3 : illustration de la cohérence spatiale de la lumière LASER DTS /2011 Documents du chapitre 2 : le LASER 1/6

2 1. Addition de rayonnements sans cohérence temporelle 2. Addition de rayonnements sans cohérence spatiale 3. Addition de rayonnements dans le cas d un lumière LASER (cohérences spatiale et temporelle) doc.4 : comparaison de l amplitude de la lumière émise par une source classique à une lumière LASER. Il s agit du premier laser de milieu actif solide mis au point en Il est constitué d un petit cristal cylindrique de rubis : cristal d alumine Al 2O 3 dans lequel certains ions Al 3+ sont remplacés par des ions Cr 3+ (ce qui lui donne une coloration rose). On parle de dopage de l alumine. Ces ions Cr 3+ constituent les particules excitées par une source d énergie extérieure, ici un tube au néon, alimenté par une haute tension, qui s enroule en hélice autour du cristal. doc.5 : le LASER à rubis DTS /2011 Documents du chapitre 2 : le LASER 2/6

3 E 3 Pompage (apport d énergie de 2,26 ev) transition non radiative de 0,48 ev émission de photon émission de photons par émission stimulée τ=10-8 s τ =10-3 s doc.6 : transitions d énergie dans un LASER à rubis. énergie collisions entre atomes 2s 3s pompage hélium état fondamental néon transition radiative λ = 632,8 nm état fondamental doc.7 : diagramme des niveaux d énergie de l hélium et du néon Une décharge électrique excite l hélium jusqu au niveau 2s : c est le pompage. Ce niveau est proche en énergie du niveau 3 s du néon. Ainsi cette énergie se trouve transférée à des atomes de néon par collision avec des atomes d hélium excités. Ces atomes d hélium se trouvent à leur tour excités. Le niveau 3 s du néon est donc peuplé, on a réalisé l inversion de population. Le retour à l état fondamental des électrons des atomes de néon s accompagne de l émission d un rayonnement de longueur d onde 632,8 nm. doc.8 : principe du LASER He-Ne DTS /2011 Documents du chapitre 2 : le LASER 3/6

4 Les LASER sont répertoriés en différentes classes suivant la puissance et la longueur d onde des radiations émises. Classe Classe I Puissance du LASER Effets Pas de danger dans les conditions normales d utilisation Laser de faible puissance (exemples : imprimantes, lecteurs de CR-ROM, lecteurs de DVD). Classe II Classe III a Classe III b Classe IV Puissance faible P < 1 mw Puissance moyenne P< 5 mw P < 500 mw P > 500 mw Gêne pour l œil, pas de danger sur de courtes périodes d exposition. Vision directe dangereuse - si le temps d exposition est supérieur à 0,25s ou - à travers un instrument d optique Vision directe toujours dangereuse Vision de sources diffuses sans danger si temps d exposition inférieur à 10s. Danger en cas de vision directe ou diffuse, risques de lésions cutanées et oculaires Risques d incendies doc.9 : LASER et sécurité DTS /2011 Documents du chapitre 2 : le LASER 4/6

5 doc.10 : quelques exemples d application des LASER Les effets du faisceau LASER et donc ses applications diffèrent suivant la longueur d onde, l intensité, la durée d exposition Types de LASER Milieu actif Mode d émission Puissance Domaine du rayonnement Quelques applications LASER à rubis Rubis (solide) pulsée 10 MW Visible ( λ = 694 nm) Epilation LASER LASER He-Ne Mélange gazeux hélium-néon continue 3 mw Visible ( λ = 633 nm) Laser d alignement, lecture des code-barres, positionnement des patients en radiographie, pointeur laser. Laser Nd- YAG Grenat d Aluminium et d Ytrium Y 3Al 5O 12 dopé au néodyme Nd 3+ (solide) pulsée 10 MW Infra-rouge (λ = 1,06 µm) Soudage des métaux, découpage des matériaux Laser CO 2 Mélange gazeux constitué d azote, d hélium et de CO 2. continue 1kW Infra-rouge (λ = 10,6 mm) Applications médicales : traitement de tumeurs, de décollements de la rétine, coupe des tissus. découpage de matériaux, soudage de métaux exemple d usinage d une plaque métallique par un laser Chirurgie de la cornée ( incision, ablation des surfaces de tissus). Nettoyage et préparation de surface Laser à excimères Gaz de molécules diatomiques pulsée 10 à 100 MW Invisible (UV) Nettoyage de la cathédrale Saint Maurice d Angers au faisceau laser. DTS /2011 Documents du chapitre 2 : le LASER 5/6

6 L'étude des effets de l'interaction du rayonnement laser avec les tissus biologiques a permis d'établir que ces effets dépendent des conditions de l'interaction rayonnement-tissus, c'est-à-dire de la durée d'exposition, de la puissance, de la longueur d'onde, de la nature du tissu, etc. Ce secteur d'application est l'un des plus importants et il est en constant essor. Il utilise les propriétés de directivité, de monochromaticité et de cohérence du faisceau laser pour arriver à ses fins. Ce domaine d'application est très complexe, car tous les tissus ne répondent pas de la même façon. a. Destruction des cellules Dans ce cas, on choisit un laser dont la longueur d'onde d'émission peut être absorbée par les tissus à détruire, ce qui les fait chauffer. L'effet thermique permet la destruction localisée de cellules par la chaleur. En utilisant cet effet, il est possible de détruire des tumeurs bénignes, d'effacer des angiomes (taches de vin) ou de corriger des problèmes de vision (myopie, cataractes, décollement de la rétine) en mettant à profit la grande intensité du faisceau laser. La lumière laser peut aussi interagir avec des matériaux non vivants à l'intérieur du corps humain. Il est donc possible de réaliser la destruction de pierres au foie ou le déblocage des artères sans effectuer de chirurgie. b. coupe des tissus On utilise un LASER à CO 2 de faisceau infra-rouge fortement absorbé par les tissus. La puissance surfacique très importante permet d obtenir une coupe rapide et précise dans des conditions d asepsie parfaite avec une bonne cicatrisation. c. Traitement de tumeurs Dans ce nouveau type de traitement, encore au stade expérimental, l'effet photochimique est utilisé afin d'obtenir une destruction sélective des cellules cancéreuses. On injecte au patient un photosensibilateur qui a la propriété de se fixer préférentiellement sur les cellules cancéreuses. Celles-ci absorbent alors la lumière LASER et passent dans un état excité puis émettent des radicaux chimiques destructeurs des cellules malignes. La grande directivité du faisceau LASER est ici utilisée pour détruire avec une grande précision les tumeurs cancéreuses sans toucher aux tissus sains environnants. doc.11 : les principales applications médicales du LASER DTS /2011 Documents du chapitre 2 : le LASER 6/6