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

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

2 L= Light A= Amplification S= by Stimulated E= Emission R= of Radiations Leffet LASER correspond à la transformation dune énergie dorigine quelconque en énergie lumineuse Lobjectif est de disposer dun faisceau lumineux cohérent de forte énergie Décrit par Towns en 1958: application récente Introduction

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

4 1. Bases du LASER Mode de production 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 dénergie E= h Il est possible de contrôler ou stimuler lémission de ce photon de fluorescence

5 Si un atome excité émettant spontanément un photon dénergie h est stimulé par un photon dénergie identique h, alors il émet simultanément en phase et dans la même direction ces deux photons dénergie identique h Le retour à létat stable nest plus spontané mais provoqué par le photon incident Les photons incidents peuvent venir dune source lumineuse ou de la désexcitation dun atome voisin du milieu Einstein, 1917

6 Deuxième principe : la multiplication La stimulation permet dobtenir 2 photons cohérents cest 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 lémission de photons tous en phase, émis par les atomes excités du milieu En plusieurs allers-retours entre les 2 miroirs : - une sélection de direction sopère - 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 dun milieu sont très majoritairement présents dans un état fondamental (stable) => Nécessité daugmenter la proportion datomes excités

9 Léquation de Boltzmann permet de connaître le nombre datomes à un niveau dénergie donnée : N i = A. e –Ei/kT avec A= constante de proportionnalité k= Cste Boltzmann = J/°K T= température en ° Kelvin La proportion datomes entre 2 niveaux dénergie E 2 et E 1 est N 2 /N 1 = e –(E2-E1)/kT Exemple : Si lécart dénergie entre un niveau stable (E 1 ) et un état excité (E 2 ) est de 0.5eV à 27°C (300°K), 1eV= J alors N 1 /N 2 =

10 Troisième principe : inversion de population Pour que le phénomène démission stimulée puisse samplifier il est nécessaire que : Nb atomes excités >> Nb datomes stables - plus il y a datome excités plus lémission stimulée sera importante - sil y a trop datomes stables, les photons stimulés émis par les atomes excités voisins, seront absorbés par ces atomes stables Cette configuration sappelle linversion de population Elle sobtient par lapport dénergie 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 dénergie lumineuse : les photons émis par la source Lumineuse sont absorbés par le milieu et peuple le niveau dénergie supérieur 2) pompage chimique A + B M* + N 3) pompage électriques Une décharge électrique peut exciter certains atomes (hélium)

12 Quatrième principe: milieu actif Linversion 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 davoir un modèle à 3 niveaux dénergie Niveau 3 courte durée Niveau 2 prolongé E2E2 E1E1 2 niveaux3 niveaux

13 1.2. Caractéristiques des LASER Le faisceau LASER est cohérent : - photons de même énergie E=h Même longueur donde (E= hc/ 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 dénergie par unité de surface Débit de fluence İ = quantité dénergie par unité de surface et de temps

15 Application numérique Comparaison du débit de fluence à 2m dune lampe de 100W et dun LASER (r= 2mm) de 100W: - Lampe: S sphère = 4 R 2 avec R= 200cm => İ = 100/( )= 0.2 mWcm -2 - LASER: S cercle = r 2 avec r= 0.2cm => İ = 100/(.0,04) = 795,7 Wcm -2 Même comparaison à une distance de 10m - Lampe: R= 1000cm => İ = 7, 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 lamplitude augmentation de lénergie du faisceau Phase et fréquence identiques Fréquence identiques, phase différentes Fréquences différentes

17 Les différents types de LASER 1) La diversité des milieux actifs permet dobtenir des LASER de différentes longueurs dondes 2) Les LASER à milieu actif solide - Cristaux : - rubis, = 694nm, rouge - YAG: grenat dyttrium et aluminium, = 1064nm, infra-rouge - verres dopés - semi-conducteurs 3)Les LASER à milieu actif gazeux -Gaz carbonique (CO 2 ), = 10600nm, infra-rouge -Helium-Néon, = 632nm, rouge -Argon, = 500nm, bleu-vert - Krypton, = 570nm, jaune - Helium-Cadmium, = 440nm, violet

18 2. Effets et Applications Effets biologiques Ils dépendent de la longueur donde, de la durée dexposition, de lénergie déposée, de la nature du tissu exposé, de labsorption 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 donde) - destruction de certains acides aminé (tyrosine, tryptophane, phénylalanine) - destruction du cytochrome C

19 2. 1. Effets biologiques Les milieux les plus sensibles sont leau, la mélanine, lhémoglobine Milieux pour lesquels labsorption 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 dapplication brefs, ns ou ps) Propagation dune 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 donde nest pas dans le spectre visible Port obligatoire de lunettes protectrices et éviter les surfaces refléchissantes

22 2.5. Applications médicales Ophtalmologie comprise entre 400 et 900nm, à 1s, 50 m à 1mm, 0 à 1 W) Absence dabsorption 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 lémission stimulée, utilisé pour son énergie Application médicales restent limitées (Ophtalmologie principalement) Autres applications multiples - Télémétrie (mesure distance terre-lune) - Soudure - CD, codes barres


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