B7 · Optique
Laser : principe et applications médicales
Décrire l'émission stimulée, l'inversion de population et les propriétés du faisceau laser. Relier ces propriétés aux effets thermiques et photochimiques exploités en médecine.
Biophysique6 min de lecture17 QCM corrigés
De l’interaction photon–matière à l’émission stimulée
La relation entre l’énergie d’un photon et la fréquence du rayonnement est étudiée dans la fiche consacrée à la nature de la lumière. On retient ici que l’échange d’énergie avec la matière se fait par quantités discrètes appelées photons, selon , où est l’énergie du photon, la constante de Planck et la fréquence du rayonnement.
Considérons deux niveaux d’énergie d’un atome ou d’une molécule, avec un niveau inférieur et un niveau supérieur . Un photon peut être absorbé si son énergie correspond à l’écart . La particule passe alors de à .
L’émission spontanée se produit à un instant aléatoire. Les photons issus de particules différentes n’ont donc pas de relation de phase déterminée et sont émis dans des directions variées.
Le photon incident n’est pas absorbé lors de cette interaction. Il est rejoint par un second photon possédant la même fréquence, la même direction de propagation, la même polarisation et la même phase. Un photon incident conduit donc à deux photons identiques du point de vue de leur état optique : le rayonnement est amplifié.
Inversion de population et amplification
Dans un milieu matériel à l’équilibre, les particules sont majoritairement dans les niveaux d’énergie les plus bas. Si désigne le nombre de particules dans le niveau inférieur et celui du niveau supérieur, on a normalement . Dans cette situation, l’absorption l’emporte sur l’émission stimulée et aucune amplification durable n’est possible.
L’inversion de population est produite par un pompage, c’est-à-dire par un apport extérieur d’énergie au milieu. Cet apport peut être optique, électrique ou chimique. Les particules sont d’abord portées vers des niveaux excités, puis s’accumulent dans un niveau suffisamment stable pour que l’émission stimulée puisse devenir majoritaire.
Le matériau dans lequel se produit cette amplification est le milieu actif. Sa nature détermine les niveaux d’énergie disponibles et donc la fréquence, ou la longueur d’onde, du rayonnement émis.
Cavité résonante
Le milieu actif est placé entre deux miroirs formant une cavité résonante. Les photons se propageant selon l’axe de la cavité effectuent des allers-retours et traversent plusieurs fois le milieu actif. Ils provoquent ainsi des émissions stimulées successives.
L’un des miroirs est fortement réfléchissant, tandis que l’autre transmet une petite partie du rayonnement. Cette fraction transmise constitue le faisceau laser. L’oscillation ne devient durable que lorsque le gain apporté par l’émission stimulée compense les pertes dues à la transmission, à l’absorption et à la diffusion.
Propriétés du faisceau laser
Les propriétés du faisceau découlent directement de l’émission stimulée et de la sélection opérée par la cavité.
- La monochromaticité correspond à une distribution très étroite des fréquences. Elle n’est jamais absolument parfaite, mais elle permet de choisir une longueur d’onde adaptée à la cible moléculaire.
- La cohérence temporelle traduit le maintien d’une relation de phase au cours du temps.
- La cohérence spatiale traduit une relation de phase stable entre différents points du faisceau.
- La directivité correspond à une faible divergence : l’énergie reste concentrée autour d’une direction.
- La focalisabilité permet de concentrer la puissance sur une très petite surface.
- La polarisation peut être bien définie, car les photons produits par émission stimulée conservent celle du rayonnement stimulant.
La forte concentration spatiale de l’énergie peut produire une irradiance élevée, même lorsque la puissance totale n’est pas considérable. Le laser peut fonctionner en régime continu, avec une émission prolongée, ou en régime impulsionnel, avec des émissions brèves séparées dans le temps.
Interaction avec les tissus biologiques
Un effet biologique nécessite qu’une partie du rayonnement soit absorbée. Une molécule capable d’absorber certaines longueurs d’onde est appelée chromophore. La sélection de la longueur d’onde permet donc de privilégier l’absorption par une cible donnée, tandis que la réflexion, la diffusion et la transmission réduisent la fraction d’énergie effectivement déposée.
Après absorption, l’énergie lumineuse peut être convertie en chaleur ou déclencher une transformation chimique. La nature de l’effet dépend principalement de la longueur d’onde, de la fluence, de l’irradiance, de la durée d’émission et des propriétés optiques du tissu.
Effets thermiques
Si l’énergie est délivrée lentement, la chaleur diffuse vers les régions voisines par conduction. Si elle est déposée pendant une durée brève par rapport au temps nécessaire à cette diffusion, l’élévation de température reste davantage confinée à la zone absorbante.
Selon l’importance de l’échauffement, l’action médicale recherchée peut être une modification réversible, une dénaturation des protéines avec coagulation, ou une élimination de matière par vaporisation. La focalisation autorise ainsi une action localisée de coagulation, d’incision ou d’ablation.
Effets photochimiques
Le photon porte une molécule dans un état électronique excité. Cette molécule peut ensuite subir une réaction, transférer son énergie à une autre espèce ou produire des intermédiaires réactifs. L’action peut être directe ou reposer sur un photosensibilisateur, substance qui absorbe la lumière puis transmet l’énergie à son environnement moléculaire.
L’effet photochimique dépend du nombre de photons absorbés, de leur énergie, de la présence éventuelle d’un photosensibilisateur et des molécules nécessaires à la réaction. Il permet une action sélective lorsque la substance activable et l’éclairement sont tous deux localisés.
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