- 1 - LES DIFFERENTS LASERS MEDICAUX ET LA TRANSMISSION DU FAISCEAU Guy Delacrétaz Laboratoire de Photonique Avancée, Faculté des Sciences et Techniques de l ingénieur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1015 Lausanne, Suisse Contenu LES LASERS MEDICAUX 1. Rappel des propriétés principales des lasers 2. Les grandes familles de lasers 2.1 Lasers à corps solide 2.1.1 Laser à Néodyme (Nd :YAG) 2.1.2 Laser à semi-conducteur 2.2 Lasers à gaz 2.2.1 Laser à CO 2 2.2.2 Laser à Argon 2.2.3 Laser à excimères 2.3 Lasers à colorant 2.4 Lasers doublés en fréquence (laser KTP) 3. Paramètres d'émission des lasers 3.1 Longueur d'onde (λ) 3.2 Forme du faisceau 3.3 Divergence du faisceau (θ) 3.4 Modes transverses (TEM) 3.5 Modes de fonctionnement 3.6 Puissance (P) 3.7 Energie (E) 4. Paramètres d'utilisation des lasers 4.1 Temps d'exposition 4.2 Surface d'exposition 4.3 Densité de puissance 4.4 Densité d'énergie ou Fluence 4.5 Energie totale déposée ou Dose 5. Les principaux lasers médicaux et leur domaine d'application 5.1 Laser He-Ne 5.2 Lasers à argon et à krypton 5.3 Laser à CO 2 5.4 Lasers à Néodyme (Nd:YAG) 5.5 Laser KTP (Nd:YAG doublé en fréquence) 5.6 Lasers à semi-conducteur 5.7 Lasers à colorant 5.8 Laser XeCl
- 2-5.9 Laser ArF 5.10 Laser à Erbium (Er:YAG) 5.11 Laser à Holmium (Ho:YAG) 5.12 Laser à Rubis LES MOYENS DE TRANSMISSION DU FAISCEAU LASER 6.1 Transport par bras articulé 6.2 Focalisation 6.3 Systèmes de focalisation 6.4 Transport par fibre optique 6.5 Structure d'un endoscope flexible 6.6 Lasers couplés à un microscope
- 3 - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplification de lumière par émission stimulée de radiation L'effet est découvert en juillet 1960 en Californie par T. H. Maiman. Cette nouvelle lumière a jailli d'un barreau de rubis puissamment éclairé par une lampe flash. Cette première lumière laser était rouge sombre ( λ = 694 nm) 1. LA LUMIERE LASER Les principales caractéristiques de la lumière laser sont: 1) Monochromaticité 2) Quasi-parallélisme (faible divergence) 3) Densité d'énergie 4) Cohérence 1) Monochromaticité Contrairement à la lumière "blanche" le laser n'émet qu'une longueur d'onde, c'est-àdire une couleur bien définie. exemple: Comparée à la largeur de l'arc-en-ciel, la lumière laser très pure ne représenterait qu'une tranche d'environ 1/30'000 ième de sa largeur totale!! 2) Quasi parallélisme La faible divergence des lasers HeNe très souvent utilisés comme pointeurs ou en métrologie est de l'ordre de 6 millièmes de degré. Ceci correspond à un accroissement de 10 centimètres chaque kilomètre. exemple: Le diamètre d'un tel faisceau laser lorsqu'il atteint la lune n'est que de 38 kilomètres. 3) Densité d'énergie Plus que la "quantité" de lumière, c'est la "qualité" de la lumière fournie par un laser qui est son atout principal. quasi parallélisme: focalisation très précise grande énergie par unité de surface pureté spectrale: invraisemblable quantité de lumière de même couleur à un instant donné durées d'impulsion ultra courtes: puissances instantanées gigantesques jusqu'à la centaine de millions de Watts (100 Gigawatts)!!!!
- 4 - Il n'y a rien de miraculeux!!! Le laser Nd:YAG ophtalmologique (photodisrupteur) pour exemple Caractéristiques techniques: Puissance instantanée: 3 Mégawatts (50'000 lampes de 60 Watts) Puissance moyenne: 0,15 Watt C'est parce que ces lasers sont pulsés que des puissances si grandes sont atteintes. Durée d'impulsion: 5 nanosecondes (5 milliardièmes de seconde) PETIT PROBLEME Quelle quantité de lumière va délivrer un tel laser ophtalmique durant sa vie? Hypothèses: Durée 5 ans Réponse : 2 secondes!!!! 365 jours/an 12 heures/jour 4) Cohérence Les différentes ondes dont se compose la lumière laser ont non seulement même longueur d'onde et même direction de propagation, mais aussi même amplitude et même phase. Cette propriété est appelée cohérence. Manifestation de la cohérence: - Lorsque le faisceau laser frappe une surface rugueuse, des points scintillants apparaissent sur la tâche laser: le "speckle". Ceci est dû à l'interférence de la lumière laser avec elle-même. - Formation d'hologrammes. 2. QU' EST-CE QU'UN LASER? Principe de fonctionnement:
- 5 - Un laser est constitué de 3 éléments de base: 1. Le milieu actif 2. La source d'énergie extérieure 3. Le résonateur optique 1) Milieu actif Gaz: Liquide: Ar +, Kr +, CO 2, HeNe, Excimères Colorants Solide: Nd:YAG, Er:YAG, Rubis, Saphir, Alexandrite, Semi-conducteurs Le milieu actif impose la longueur d'onde (couleur) de l'émission laser. 2) Source d'énergie extérieure (pompage) - Décharge électronique, analogue à un éclair (lasers à gaz) - Courant électrique (diodes laser) - Lumière fortement concentrée (lasers à corps solide, lasers à colorant) - Autre laser (lasers à colorant) 3) Résonateur optique (cavité) - Miroir arrière (totalement réfléchissant) - Miroir de sortie (partiellement réfléchissant) - Elément dispersif (prisme, réseau, filtre de Liot, Fabry-Pérot) - Lentilles (éventuellement) EFFET LASER Processus d'absorption de lumière:
- 6 - Processus d'émission de lumière: Prédite par Albert Einstein dans les années trente l'émission dite stimulée est à l'origine de l'effet laser. Processus d'émission stimulée: Cas réel: système à 3 et 4 niveaux d'énergie!!
- 7-2. LES GRANDES FAMILLES DE LASERS Principaux lasers continus et pulsés (attention liste non-exhaustive) 2.1 Lasers à corps solide 2.1.1 Laser à Néodyme (Nd :YAG) Ion: Nd 3+ Cristal: Y 3 Al 5 O 12 : Yttrium Aluminium Garnett Y L F : Yttrium Lithium Fluoride Y Al O 3 : Yttrium Aluminate verres de silicate ou de phosphate Concentration : 0.75 % (poids; YAG) Longueurs d onde principales : 1.064 µm (YAG) 1.053 µm (YLF) 1.062 µm verre de silicate 1.054 µm verre de phosphate
- 8 - Niveaux atomiques de l ion Nd 3+ dans la matrice YAG et principales lignes d émission laser. Schéma de la cavité d un laser Nd :YAG : Le réflecteur chargé de concentrer l intensité de pompage sur le barreau laser est généralement de section elliptique. Le barreau YAG et la lampe flash sont placé au foyer de l ellipse pour permettre une concentration optimale de la lumière de pompage sur le barreau.le réflecteur est généralement revêtu d une couche d or très réfléchissante à la longueur de pompage (730-800 nm). Un réflecteur cylindrique recouvert d une couche diffusante de sulfate de baryum est parfois utilisée.
- 9-2.1.2 Laser à semi-conducteur Situation électronique particulière au niveau d une jonction p-n dans un laser à semi-conducteur. Pour un dopage suffisant et un courant de jonction supérieur à une valeur de seuil, une inversion de population suffisante pour observer une émission laser est obtenue dans le volume correspondant à la jonction entre les zones n et p. La puissance optique émise varie linéairement avec le courant passant à travers la jonction. Le GaAs produit une émission laser dans la région 800 nm. Structure d un laser à semi-conducteur. En raison des très petites dimensions de ce type de laser, le faisceau émis est fortement divergeant. La petite dimension de ce type de laser (milieu actif de taille inférieure à 1 mm 3 ) le rend particulièrement attractif..
- 10 - Schéma d une diode laser. 2.2 Laser à gaz 2.2.1 Laser à CO 2 Schéma énergétique du laser CO 2 : On distingue 3 modes de vibrations différents pour la molécule CO 2, 00n,0n0 et n00. A chacun des modes de vibration correspond un groupe de niveaux. Les transitions lasers ont lieu entre niveaux de vibration. De ce fait de faibles différences d énergie caractérisent les transitions laser, d où des longueurs d onde peu énergétiques dans l infrarouge lointain, réparties en 2 bandes à 9.6 et 10.6 µm.
- 11-2.2.2 Laser à Argon Schéma énergétique du laser argon Ar+ : L excitation des atomes d argon se fait par collisions successives avec les électrons produits par la décharge électriques entretenue dans le tube. L émission laser se fait par transition entre niveaux excités de l ion Ar+. Le retour sur le niveau fondamental de l argon ionisé se fait par émission spontanée d un photon de haute énergie de longueur d onde de 72 nm (UV lointain). Structure schématique d un laser argon : Une bobine magnétique permet de maintenir les ions Ar+ au centre du tube, grâce au champ magnétique produit. Les atomes d Argon sont excités puis ionisés par collision avec les électrons produits par la décharge électrique entretenue dans le tube.
- 12-2.2.3 Laser à excimère Schéma énergétique d un laser excimère (KrF dans ce cas). On remarque que les molécules excimères ne forment une molécule liée qu à l état excité et se dissocient lors de leur désexcitation. Cette particularité est optimale pour l émission laser (inversion de population intrinsèque puisque la durée de vie du niveau inférieur est nulle). Ces lasers sont d autre part très énergétiques (énergie suffisante pour dissocier des molécules, e.g. ADN). Ceci implique un risque d effet mutagène pour ce type de laser, et tout particulièrement pour le laser KrF à 248 nm. Structure schématique d un laser excimère. L utilisation de gaz très toxiques comme les halogènes constitue un problème important lié à l utilisation de ce type de laser. Le gaz doit d autre part être pré-ionisé par une décharge électrique. Des hublots en CaF 2 sont utilisés pour permettre une transmission optimale de l émission UV.
- 13-2.3 Lasers à colorants Structure des niveaux électroniques d un colorant (Rhodamine 6G dans ce cas). Les niveaux électroniques sont élargis en sous-niveaux de vibration E v et de rotation E r,et forment des bandes. L émission optique s organise en bandes d émissions ou de fluorescence. L émission laser est située généralement aux environs de 590 nm et peut être accordée sur une certaine plage, d oû l intérêt de ce type de laser. Structure schématique d un laser à colorant pulsé : Les lasers à colorant pulsés sont pompés par lampes flash dans un arrangement très similaire à celui utilisé pour le pompage par lampes flash des lasers à corps solide, tels que les lasers Nd :YAG. L accordabilité en longueur d onde est obtenue au moyen d un élément dispersif (prisme ou réseau).
- 14 - Structure schématique d un laser à colorant continu : Les lasers de ce type sont pompés par un autre laser. L accordabilité en longueur d onde est obtenue au moyen d un élément dispersif (prisme ou réseau). 2.4 Lasers doublés en fréquence (laser KTP) Génération de longueurs d ondes plus courtes (plus énergétiques) par génération d harmoniques. L utilisation de cristaux non-linéaires permet de générer des longueurs d onde égales à une fraction entière de la longueur d onde initiale (fondamentale) du laser. Un tel procédé est utilisé avec le laser Nd :YAG (1064 nm). Un cristal de KTP est utilisé pour doublé la fréquence (diminué de moitié la longueur d onde à 532 nm). D où le terme de laser KTP abusivement utilisé pour désigner les lasers Nd :YAG doublés en fréquence. Par un processus itératif il est possible de générer la 4 ième harmonique (266 nm) à l aide d un deuxième cristal de KTP (schéma a), ou la 3 ième harmonique (355 nm) en combinant la fondamentale et la 2 ième harmonique, également par l intermédiaire d un cristal de KTP (schéma b).