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LASER

Le mot LASER est un acronyme pour  « light amplification by stimulated emission of radiation », qui se traduit en français par : «amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement».

Les lasers occupent une place importante en ophtalmologie, en particulier dans l’arsenal thérapeutique de l’ophtalmologiste, pour la réalisation de diverses opérations des yeux. Leur longueur d’onde, mode de délivrance et puissance diffèrent selon l’application souhaitée. Si l’ophtalmologie est un vaste champ d’application pour l’utilisation du rayonnement laser à visée thérapeutique, la chirurgie réfractive constitue le domaine où règnent en maîtres les lasers excimer et les lasers femtoseconde pour la correction chirurgiale des défauts visuels.

Ses nombreuses applications pratiques tendent à banaliser l’usage de la lumière LASER, qui est pourtant le fruit d’une double prouesse : théorique et technologique.  L’idée d’un rayonnement monochromatique directionnel et cohérent émit par une émission stimulée fut envisagée par Einstein dès 1917 ; ce n’est que près d’un demi-siècle plus tard, en 1960, que la première lumière laser fut émise en laboratoire par Maiman. Il ne fallut en revanche que quelques années supplémentaires pour que naissent diverses applications industrielles et médicales.

Ainsi, le laser fut d’abord une prédiction théorique : sa réalisation concrète matérialise les prouesses accomplie par l’optique instrumentale au 20e siècle, et la maîtrise acquise vis-à-vis des interactions entre lumière et matière. Il est d’ailleurs remarquable que les aspects ondulatoires et corpusculaires de la lumière soient chacun nécessaires et indispensables pour comprendre le fonctionnement, et concevoir un laser: cet instrument est le fruit des avancées en physique quantique et en ingénierie moderne.

Cette page est consacrée aux particularités qui distinguent la lumière laser des autres lumières, et aux aspects fondamentaux et communs qui en régissent l’émission : des pages concernent plus particulièrement les particularités de la lumière LASER, les mécanismes propres à la conception d’un instrument capable d’émettre une telle lumière et qui concernent l’émission laser et l’amplification laser. Elles sont volontairement rédigée dans un langage accessible aux non physiciens,  mais les  quelques simplifications nécessaires ne devraient pas altérer l’essence même du sujet.

Le LASER : une lumière énergétique

La plupart d’entre nous ont au moins tenu une fois à un laser à la main, sous la forme d’un « pointeur » laser rouge, généralement utilisé pendant les conférences illustrées d’un diaporama.

Si l’on considère l’aspect corpusculaire de la lumière, ce pointeur peut être assimilé à un « canon de photons ».  Contrairement à ceux du faisceau d’une torche électrique, ces photons semblent dotés de propriétés particulières : ils vont « plus droit » et « plus loin », et se cantonnent à une gamme de rayonnement coloré particulière (rouge, ou vert, etc).

L’énergie transportée par le faisceau laser est le cumul de l’énergie de chacun des photons émis.

Or, l’énergie transportée par un photon est quantifiée, et égale à : E = h ν ou h est la constante de Planck (6,626068 × 10-34 m2 kg / s), et ν est la fréquence de l’onde associée au photon (en Herz) Cette fréquence correspond au nombre d’oscillations qu’effectue le champ électrique en une seconde. Cette formule relie l’aspect corpusculaire (énergie du photon) à l’aspect ondulatoire de la lumière.

L’unité de l’énergie est le Joule (un Joule = 0,2389 calorie). Les physiciens lui substituent souvent l’électron volt pour décrire l’énergie associée au photon : 1 eV = 1,602 x 10-19 : c’est l’énergie acquise par un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 V : c’est aussi l’énergie associé à un photon infrarouge dont la longueur d’onde est 1.24 microns.  La puissance est la quantité d’énergie délivrée en un temps donné : un watt correspond à la délivrance d’un Joule sur une durée d’une seconde. La puissance délivrée par un pointeur laser est typiquement de 3 milli-Joules (mJ) par secondes, soit 3 milli-watts (3 mW). Si l’énergie de chacun des photons émis par le pointeur est égale à 3 x 10 -19 Joules, chaque seconde, 10 000 million de million de photons sont donc émis par le pointeur. Si cette énergie est focalisée sur 1 mm2, l’éclairement local est supérieur au seuil représentant un danger pour l’œil (ce seuil de dangerosité est de 2 mW/mm2). C’est pour cela que l’exposition accidentelle de la rétine de nos yeux aux pointeurs laser est potentiellement dangereuse.

 

L’énergie des photons est proportionnelle à leur fréquence (inversement proportionnelle à leur longueur d’onde). Le rayonnement délivré par un laser excimer est situé dans l’ultra-violet (fréquence plus élevée que  la lumière visible). Les photons délivrés ont une énergie de 6,4 ev pour la longueur d’onde classiquement délivrée par le laser excimer (193 nanomètres). Cette énergie est suffisante pour rompre les liaisons inter atomiques, et permettre le phénomène de «photoablation», utilisée en chirurgie réfractive cornéenne (PKR- LASIK).

L’énergie particulière de la lumière laser tient à ce qu’elle peut être concentrée dans l’espace et dans le temps

Une lampe de puissance égale à 100 W a un rendement proche de 5 % : elle produit environ 5 W d’énergie lumineuse, qui se répartit dans toutes les directions de l’espace avoisinant. A un mètre de distance, l’éclairement fourni est de 0.04 mW/cm2– soit 0 .0004 mW/cm2. Un laser qui émet une puissance comparable (5W) mais qui la focalise sur une surface de 1 mm2 fournit un éclairement local 10 000 fois plus intense, de l’ordre de 5W/mm2. Le laser permet de concentrer la lumière sur une petite surface ; cette propriété est en soit utile pour une action ciblée. Au minimum, le diamètre de la tache de focalisation d’un laser peut atteindre celle de sa longueur d’onde!

L’énergie des photons délivrés peut également être concentrée dans le temps. Les impulsions ultra-brèves permettent de délivrer des impacts très « puissants », malgré une faible énergie totale par impact. Par exemple, une impulsion de 100 micro-Joules délivrée en 20 femto-secondes (20 x 10-15 secondes) correspond à une puissance crête (énergie du pulse divisée par la durée du pulse) de 5 Gigawatts ! Les impulsions délivrées par les lasers femtosecondes utilisés en chirurgie de la cornée ont une durée de quelques centaines de femto secondes, et une puissance de l’ordre d’une micro Joule. L’intensité du champ électrique créé au point de focalisation permet de vaincre la force qui relie est électrons aux noyaux atomiques, ce qui créée une ionisation sans émission de chaleur (la durée du pulse est trop faible pour communiquer l’énergie délivrée sous forme thermique). En juxtaposant une série d’impacts au sein de la cornée, on peut localement créer des ruptures tissulaires juxtaposées permettant de découper sans chauffer le tissu cornéen.

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