Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
Reflets de la Physique n°61 mar/avr/mai 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°61 de mar/avr/mai 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 56

  • Taille du fichier PDF : 3,8 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur l'amplification d'impulsions laser par dérive de fréquence.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Pour un matériau diélectrique tel que le verre, transparent dans un large domaine spectral, l’absorption linéaire est faible et son micro-usinage sans effets secondaires devient difficile avec des impulsions laser de durée nanoseconde ou plus longue. L’ablation du matériau est alors fortement dépendante des électrons libres piégés dans les défauts et les impuretés. Mais, dès que l’intensité de l’impulsion devient supérieure à 10 13 W cm -2, le processus d’ablation entre dans un régime d’interaction très différent  : des processus non linéaires tels que l’ionisation multiphotonique et/ou par effet tunnel, ainsi que le mécanisme d’avalanche, permettent une ionisation locale efficace du matériau. Ces régimes d’intensité sont devenus très facilement accessibles avec l’introduction du CPA dans les lasers femtoseconde. Le processus d’ablation devient alors fortement déterministe [11], ce qui veut dire que les seuils d’ablation sont définis très précisément et qu’ainsi l’ablation devient hautement contrôlable. De plus, la zone affectée thermiquement devient extrêmement réduite, d’où l’introduction dans les années 1990 du terme « ablation froide ». Travailler à ce niveau d’intensité avec des impulsions laser ultracourtes rend possible de micro-usiner pratiquement tous les matériaux, y compris le diamant, avec une qualité de précision dimensionnelle, de reproductibilité, de limitation de bavures et d’effets thermiques difficilement atteignable par d’autres techniques. La figure II.1 est une illustration de la précision et de la reproductibilité d’un tel procédé jusqu’à des échelles submicroniques [12]. Enfin, à l’échelle industrielle, la puissance moyenne du laser est importante pour réaliser des micro-usinages dans un temps économiquement viable. Très peu de temps après l’invention du CPA, les fabricants de lasers se sont attachés à utiliser cette technique pour augmenter la puissance moyenne, tout en rendant les sources plus efficaces et plus compactes. Cette course à la compacité et à la puissance moyenne est toujours d’actualité, et presque toutes les approches utilisées sont basées sur le CPA dès que l’on dépasse quelques watts. (a) Les lasers à excimère (contraction des mots anglais «excited» et «dimer») sont des lasers dont le milieu actif gazeux est composé d’un gaz rare (Xe, Kr, Ar) et d’un halogène (Cl, F). Ils émettent dans le domaine de l’UV (193 nm pour ArF, 308 nm pour XeCl...). Leur nom vient du fait que ces molécules ne sont stables qu’à l’état excité, l’état fondamental étant dissociatif. 18 Reflets de la Physique n°61 Les applications à l’ophtalmologie François Salin (francois.salin@ilasis.com) Ilasis Laser, 2 allée du Doyen Georges Brus, 33600 Pessac L’application des lasers femtoseconde à l’ophtalmologie a commencé par un accident qui, heureusement, s’est bien fini et a ouvert un champ très important de la chirurgie oculaire. En 1992, un chercheur du Center for Ultrafast Optical Science (CUOS) que dirigeait Gérard Mourou à l’Université du Michigan, a reçu accidentellement un tir de laser femtoseconde sur la rétine. Se rendant au Kellogs Eye Center d’AnnArbor pour un diagnostic, il excite la curiosité du médecin qui l’examine par la propreté de l’impact laser dans l’œil et l’absence de dégâts autour du point focal. La spécificité ainsi révélée est que l’interaction d’une impulsion femto seconde dans un milieu transparent est extrêmement localisée. En effet, il est possible de créer un défaut – une microbulle – en focalisant fortement un faisceau femtoseconde à l’intérieur du milieu. Au foyer, l’intensité atteint des valeurs supérieures à 10 13 W cm -2, ce qui provoque une ionisation multiphotonique de l’eau présente au sein des tissus  : on voit alors apparaitre une microbulle de quelques microns de diamètre. Comme l’ouverture numérique du faisceau dépasse généralement 0,2 (soit environ 20 degrés), la bulle est localisée non seulement latéralement, mais aussi en profondeur. En déplaçant le faisceau sur l’ensemble de la surface d’un disque de 8 mm de diamètre, on crée ainsi un plan de bulles microscopiques (fig. II.2) qui ont le même effet qu’un scalpel, mais à l’intérieur de la matière et sans endommager les surfaces autour du point d’impact. Ce principe de découpe très localisée de tissus transparents est spécifique aux lasers femtoseconde.
Correction de la myopie par laser La myopie correspond à un défaut de sphéricité de l’œil. Ce défaut se corrige en ouvrant un « capot » très fin (de l’ordre de 100 µm d’épaisseur) à la surface de la cornée, puis en sculptant la cornée (de l’ordre de 600 µm au point le plus épais), c’est-à-dire en retirant l’épaisseur de matière nécessaire pour corriger le défaut à l’aide d’un laser excimère, avant de repositionner le capot. Cette correction a typiquement la forme d’une petite lentille d’environ 8 mm de diamètre et de 100 µm d’épaisseur au centre et 0 µm sur les bords. La société IntraLase fut créée en 1995 à AnnArbor pour appliquer les lasers femtoseconde pompés par diodes, qui commençaient à voir le jour au CUOS, à la découpe intracornéenne avec la technique Lasik (Laser -Assisted In-Situ Keratomileusis) [9, 13]. Les premiers lasers utilisant du verre dopé au néodyme produisaient des impulsions de quelques centaines de femtosecondes, à des cadences de 10 à 50 kHz et des énergies de 25 µJ. Ces lasers, basés sur la technique CPA et sur des amplificateurs régénératifs, restaient encombrants et complexes selon les critères actuels, mais suffisamment petits néanmoins pour permettre leur intégration dans un bloc opératoire. L’idée première était d’effectuer la découpe de la petite lentille dans la cornée grâce à la possibilité de focaliser le laser femtoseconde au sein d’un milieu transparent, puis de l’extraire au travers d’une petite ouverture qui serait effectuée sur le côté de Avancées de la recherche II.2. Création par laser femtoseconde d’un plan de bulles localisé dans la cornée. La figure de gauche montre de façon schématique l’ouverture du faisceau laser (en rouge) et la formation de quatre bulles dans les 600 µm de l’épaisseur de la cornée (la cornée est située environ 3 mm au-dessus de l’iris et de la pupille). À droite, on voit le disque de bulles d’une épaisseur de quelques microns formé par balayage du faisceau laser, et se situant à environ 100 mm de profondeur dans la cornée (représentée par la lame claire courbée). À la fin du balayage, ce disque aura un diamètre de 8 mm, légèrement plus grand que celui de la pupille quand elle est très dilatée, pour que les bords du cercle découpé ne gênent pas la vision. la cornée. Malheureusement, la précision de découpe nécessaire à une bonne correction restait à l’époque difficile à atteindre et ce n’est que très récemment que la société Zeiss a mis au point la technique dite SMILE qui utilise cette idée et permet donc une correction de la myopie entièrement par laser femtoseconde. En pratique, il est encore trop complexe de traiter tous les cas par cette technique et la plupart des opérations de la myopie sont effectuées en utilisant le laser femtoseconde seulement pour découper le capot. Une couche plane de bulles d’environ 5 mm d’épaisseur et à environ 100 µm sous la surface de la cornée est créée, permettant de former le capot, qui est ensuite soulevé par le chirurgien. Un laser nanoseconde à excimère est alors utilisé pour sculpter la cornée, et le capot est finalement repositionné afin de protéger la surface de l’œil. Le laser femto seconde n’intervient donc que très ponctuellement dans cette opération, mais cela n’a pas empêché des milliers de systèmes d’être vendus et près de 2 millions d’opérations d’être effectuées chaque année avec cette technique. Elle est devenue, essentiellement pour des raisons de marketing, la méthode de référence de la correction de la myopie par laser. Opération de la cataracte Le défi suivant auquel vont s’attaquer les lasers femtoseconde est l’opération de la cataracte, qui consiste à retirer le cristallin de l’œil et à le remplacer par un implant en plastique. C’est l’acte chirurgical le plus pratiqué, avec 25 millions d’opérations par an dans le monde. Cette opération est effectuée manuellement par un chirurgien, à l’aide d’un couteau et d’une pince. Le laser femtoseconde permet de remplacer le couteau pour découper précisément la capsule qui entoure le cristallin (opération appelée « capsulorhexis ») et de prédécouper le cristallin avant son extraction. La communauté des chirurgiens reconnait l’apport notable du laser dans la précision du capsu lorhexis et la diminution du risque de découpe ratée. Par ailleurs, les opérations actuelles se cantonnent, dans l’immense majorité des cas, à un implant monofocal donnant une vision corrigée à une distance fixe, généralement l’infini. Avec le laser femtoseconde, la découpe est parfaitement maitrisée et on peut alors envisager l’utilisation des nouveaux implants multifocaux, fonctionnant comme les verres progressifs de lunettes, qui nécessitent un positionnement très précis. Néanmoins le surcout lié au laser femtoseconde reste trop important pour cette opération et, actuellement, seuls quelques systèmes sont installés, essentiellement aux USA. Les lasers femtoseconde ont donc révolutionné certains actes de chirurgie en ophtalmologie, mais l’immense marché de la cataracte reste d’un accès compliqué à cause du cout des lasers. Il reste encore à inventer, trente ans après l’introduction du CPA, la façon de produire des impulsions femtosecondes à des couts raisonnables. le Reflets de la Physique n°61 19



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