Laser : définitions, principes de fonctionnement

Laser : définitions, principes de fonctionnement

Notion d’ondes électromagnétiques

Une onde électromagnétique comporte à la fois un champ électrique E et un champ magnétique B , oscillant à la même fréquence v. Ces deux champs, perpendiculaires l’un par rapport à l’autre, se propagent dans un milieu selon une direction orthogonale (Figure 1). La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse c qui dépend du milieu considéré.

Une onde électromagnétique est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques :
– la longueur d’onde (λ) : elle exprime le caractère oscillatoire périodique de l’onde dans l’espace. C’est la longueur d’un cycle d’une onde, la distance séparant deux crêtes successives. Son unité de mesure est le mètre ;
– la période (T) : elle représente la durée nécessaire pour que l’onde effectue un cycle. Son unité de mesure est la seconde ;
– la fréquence (ν) : inverse de la période, elle traduit le nombre de cycles par unité de temps. Elle s’exprime en Hertz (Hz). Un Hz équivaut à une oscillation par seconde.

La lumière

La lumière perceptible par le système visuel humain est constituée de l’ensemble des ondes électromagnétiques dont les longueurs d’onde dans le vide sont comprises entre 380 et 780nm. Sa vitesse dans le vide est une constante universelle (vitesse de la lumière), valant c = 299 792 458 m/s.

Le domaine des ondes électromagnétiques est bien plus large que celui de la lumière visible, et couvre un vaste domaine de fréquences, s’étendant des ondes radios (basses fréquences) aux rayons gamma (hautes fréquences) : le domaine optique, domaine du « visible », se situe au milieu de ce spectre .

Les échanges d’énergie portée par le rayonnement électromagnétique se font sous forme de paquets d’énergie, véhiculés par des corpuscules élémentaires immatériels: les photons. Chaque photon transporte ainsi un quantum d’énergie proportionnel à la fréquence de l’onde électromagnétique considérée ; cette énergie est d’autant plus grande que la fréquence est élevée. La relation suivante exprime la quantité d’énergie associée à un photon en fonction de la fréquence de l’onde : E=hν

où :
– E : l’énergie de l’onde électromagnétique
– ν : la fréquence de l’onde
– h : la constante de Planck (6,626.10⁻³⁴ J.s)

Ainsi, les rayonnements électromagnétiques de courte longueur d’onde ou de fréquence élevée véhiculent davantage d’énergie que les rayonnements de grande longueur d’onde (basse fréquence).

Le rayonnement laser

Les lampes ordinaires, lampes à incandescence, lampes à décharge (tubes fluorescents), LEDs (diodes électroluminescentes) émettent une lumière polychromatique, dans des directions multiples.

En revanche, un faisceau laser présente des caractéristiques particulières :
– cohérence spatiale : lorsqu’il se propage, y compris sur une grande distance, le faisceau reste parallèle et localisé ; lorsqu’il est arrêté par un obstacle, il se manifeste par une tache brillante presque ponctuelle ;
– cohérence temporelle : le faisceau est purement monochromatique ; il est caractérisé par une fréquence unique, autrement dit une longueur d’onde unique dans un milieu donné

Ainsi, les photons d’un faisceau laser sont dans un seul mode de champ électromagnétique (une seule fréquence, une seule direction de propagation et une seule polarisation) : ils sont tous identiques.

Amplification stimulée de rayonnement

Introduit par G.R. Gould en 1957, le mot laser est l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, c’est-à-dire amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement [9].

Modèle de Bohr de l’atome

Dans le modèle de Bohr, l’électron tourne autour du noyau dans une orbite circulaire, comme une planète autour du Soleil (modèle classique de Rutherford) [10]. Un électron en orbite autour du noyau devrait rayonner et, de ce fait, perdre son énergie et tomber sur le noyau. Or ceci ne se produit pas, puisque les atomes sont stables. Selon Bohr, il existe certaines orbites où l’électron n’émet pas de rayonnement. Ceci se produit chaque fois que le moment de la quantité de mouvement de l’électron est un multiple de h/2π (où h est la constante de Planck avec h = 6,626.10⁻³⁴ J.s). Les différentes orbites stables possibles autour du noyau sont ainsi quantifiées par un entier n positif. Lorsqu’un électron excité passe à un niveau d’énergie supérieur à celui de son orbitale, il retombe à son niveau d’énergie initial par émission d’un rayonnement photonique dont l’énergie correspond exactement à la différence d’énergie entre les deux niveaux. Cette énergie correspond à celle d’une onde électromagnétique de fréquence v, suivant la relation : E = h.v .

Transferts quantiques d’énergie : phénomène « d’émission stimulée »

Ce phénomène d’émission stimulée fut décrit en 1917 par le physicien allemand A. Einstein (prix Nobel de physique 1921) [12]. Un atome peut absorber un photon lui apportant exactement le quantum d’énergie ΔE nécessaire pour effectuer une transition de l’un de ses électrons vers un niveau d’énergie supérieur existant .

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Table des matières

INTRODUCTION
1. Généralités
2. Laser : définitions, principes de fonctionnement
2.1. Notion d’ondes électromagnétiques
2.2. La lumière
2.3. Le rayonnement laser
2.4. Amplification stimulée de rayonnement
2.5. Condition d’oscillation du laser
2.6. Propriétés de la lumière laser
2.7. Géométrie du faisceau
2.8. Différents types de lasers
2.9. Modes d’action des lasers
2.10. Caractéristiques d’un laser pulsé
3. Historique des lasers en urologie
4. Comparaison des lasers Ho:YAG et TFL
4.1. Intérêt du laser en endourologie pour la chirurgie prostatique
4.2. Laser Ho:YAG
4.3. Le TFL
OBJECTIFS
MATERIEL ET METHODES
1. Générateurs laser utilisés
2. Fibres laser
3. Solvant
4. Analyses statistiques
Objectif n°1
1. Etude de la gaine externe de la fibre laser
2. Etude des facteurs influençant la dégradation de la fibre laser
3. Etude de l’évolution de la puissance au cours du temps
Objectif n°2
1. Etude du profil impulsionnel
2. Etude des bulles de vapeur
3. Modèle utilisé pour l’étude des modes d’action des lasers Ho:YAG et TFL
4. Etude des modes d’action des lasers Ho:YAG et TFL
4.1. Etude de la transmission de l’énergie laser dans l’air et dans le sérum physiologique
4.2. Etude de la pression des bulles de cavitation
4.3. Protocole expérimental pour l’étude des modes d’action des lasers Ho:YAG et TFL
Objectif n°3
1. Détermination du modèle tissulaire
2. Analyse des effets tissulaires selon les différents paramètres laser
RESULTATS
Objectif n°1
1. Etude de la gaine externe de la fibre laser
2. Etude des facteurs influençant la dégradation de la fibre laser
3. Etude de l’évolution de la puissance au cours du temps
Objectif n°2
1. Préambule
2. Etude du profil impulsionnel
3. Etude des bulles de vapeur
3.1. Forme des bulles
3.2. Taille des bulles
3.3. Durée de vie des bulles
4. Etude des modes d’action des lasers Ho:YAG et TFL
4.1. Etude de la transmission de l’énergie laser dans l’air et dans le sérum physiologique
4.2. Etude de la pression des bulles de cavitation
4.3. Etude des modes d’action des lasers Ho:YAG et TFL
Objectif n°3
1. Détermination du modèle tissulaire
2. Analyse des effets tissulaires selon les différents paramètres laser
DISCUSSION
Objectif n°1
Objectif n°2
Objectif n°3
CONCLUSIONS
BIBLIOGRAPHIE