Cours de physique de base en technologie laser

Le laser est une source de lumière artificielle. Ce type de rayonnement n’existe pas dans la nature. La connaissance physique et technique du laser est une condition préalable à son utilisation adéquate en médecine.

Le terme “laser” se rencontre aujourd’hui dans de nombreux domaines, il fait partie du langage courant. Outre les idées fantaisistes, il existe également un grand respect pour le sujet. Mais pour pouvoir utiliser cette technique pour soi-même, il est très important de bien la comprendre et de l’évaluer correctement.

Au cours de ma vie professionnelle, j’ai toujours évolué dans le domaine de la technique médicale et je connais les conditions particulières que l’on rencontre précisément dans l’utilisation des lasers.

Conditions légales

En principe, nous devons respecter certaines obligations légales pour tous les lasers, quel que soit l’endroit où nous les utilisons.

La protection de la santé est primordiale et doit respecter les règles de santé et de sécurité au travail. En Suisse, ces lois intègrent à la fois le droit national et le droit international. La SUVA encourage la prévention et l’information sur les bases légales correspondantes. Leur publication “Attention : rayon laser” (réf. 66049) décrit plus en détail l’utilisation du laser et les nécessités organisationnelles. Une personne responsable doit être désignée pour l’exploitation du laser et porter le titre de “responsable de la protection laser”. L’expertise nécessaire doit être disponible. Si le laser est utilisé pour des applications médicales, le fabricant doit avoir fabriqué l’appareil conformément à l’ordonnance sur les dispositifs médicaux MepV ou à la directive 93/42/CEE. Ces directives régissent également le fonctionnement et l’utilisation.

Un examen, une révision et un complément de la législation actuelle sont actuellement en cours. Un projet de loi sur la protection contre les rayonnements non ionisants “RNI et son” est en cours d’élaboration. Cette loi vise à réglementer l’utilisation des RNI dans les cabines de bronzage ou dans les applications cosmétiques. La population doit être protégée contre les risques sanitaires.

Le dernier maillon de la chaîne de sécurité prescrit par la SUVA est l’équipement de protection individuelle (EPI). En cas d’utilisation d’un laser, la mesure la plus importante consiste à porter des lunettes de protection laser et, pour les lasers plus puissants, des vêtements de protection. La norme DIN EN 207 constitue à cet égard la base légale.

Principes de base

Voilà pour les règles que nous devons respecter ou les lois auxquelles nous devons nous conformer. Les informations décrites ici sont destinées à vous apporter des connaissances, mais ne remplacent pas un cours pour obtenir la qualification laser.

Le laser est une source de lumière qui possède des propriétés particulières et qui ne peut être produite qu’artificiellement. Ce type de rayonnement n’existe pas dans la nature.
Le nom “laser” résulte des premières lettres de la description anglaise de cet effet (aperçu 1). La première lettre nous indique qu’il s’agit de lumière, donc de rayonnement non ionisant. Le domaine du rayonnement optique s’étend de 100 nm à 1’000’000 nm, avec une répartition en sous-groupes :

• Rayonnement UV : 100-380 nm
• Rayonnement optique visible : 380-780 nm
• Rayonnement IR : 780-1’000’000 nm.

Les lasers se trouvent, à quelques exceptions près, dans le domaine visible ou infrarouge. Sur le plan linguistique, nous utilisons des termes qui sont généralement connus, mais qui ont une signification particulière pour nous :

• Dans le cas de la transmission, nous parlons de la profondeur de pénétration dans les tissus, sans qu’il y ait de modification. Comparable à la vue à travers une vitre.
• La réflexion désigne la réverbération partielle ou totale du rayonnement incident sur une surface. Comparable à un regard dans un miroir.
• Lorsque nous parlons de diffusion diffuse, nous entendons par là la répartition spatiale plus ou moins uniforme du rayonnement depuis le point d’entrée, par exemple dans le tissu. Comparable à la vision à travers une vitre en verre dépoli.
• L’absorption est l’absorption de puissance ou d’énergie pour la transformer en chaleur, c’est-à-dire pour dénaturer, vaporiser ou faire éclater le tissu.

Dans le cadre de l’utilisation de systèmes laser, nous aimons également désigner les lasers par leur milieu laser, c’est-à-dire l’élément utilisé pour générer la lumière laser. Cette désignation indique en outre la couleur générée par la lumière laser. Comme la couleur est monochrome, on peut également parler de la longueur d’onde de la couleur (tableau 1). Mais ce qui est important pour l’utilisateur, c’est la profondeur de pénétration ou l’absorption.

Grâce aux réflexions et aux recherches de nos célèbres physiciens, de nombreuses bases et conditions ont été créées pour mieux comprendre et maîtriser la lumière. En partant de l’hypothèse quantique de M. Planck et en la complétant plus tard par A. Einstein avec l’effet photoélectrique, le 16 mai 1960, T. Maimann a été le premier homme à produire une lumière laser artificielle. Il s’agissait d’un laser à rubis qui émettait une lumière rouge à 694 nm.

Lumière artificielle

Puisque nous avons déjà parlé à plusieurs reprises de “lumière artificielle”, voyons ce que cela signifie et quelle est la particularité du laser. Les trois principes et propriétés de base de cette lumière sont les suivants :

• Lumière monochromatique, c’est-à-dire avec une seule couleur, longueur d’onde, fréquence (par rapport à la lumière blanche ou solaire, qui a de nombreuses couleurs, longueurs d’onde et fréquences). L’arc-en-ciel, très apprécié, résulte de la réfraction différente de la lumière du soleil dans les gouttes de pluie et de la déviation différente des différentes couleurs qui en résulte. Si nous remplacions maintenant le soleil par un laser, il n’y aurait plus qu’une seule couleur visible dans l’arc-en-ciel. Grâce à cet effet, lorsque nous utilisons le laser, nous avons un effet voulu sans les longueurs d’onde potentiellement gênantes ou nocives.
• Trajet de faisceau parallèle. En raison de la génération de la lumière, le faisceau s’aligne parallèlement dans le résonateur et sort ainsi. En théorie, ce faisceau est parallèle. Selon la longueur du résonateur, il y a un certain élargissement du faisceau, mais il est très faible par rapport à une source lumineuse normale. Les sources laser ont une forte focalisation et une faible divergence. Les sources lumineuses, en revanche, ont un faisceau fortement divergent.
• La lumière cohérente est synchronisée dans le temps et dans l’espace (même phase et même amplitude). Les quanta de lumière sont créés au même moment et se déplacent dans la même direction. J’aime aussi le décrire avec des coureurs de fond et des soldats en marche. Les coureurs de fond font des pas de longueurs différentes et foulent le sol à des moments différents – un peu comme une lumière incohérente qui n’est pas synchronisée dans le temps et l’espace. En revanche, les groupes de marche ont tous la même longueur de pas, lèvent et baissent les pieds en même temps – comme le laser (mêmes phases, même amplitude).

Ces trois caractéristiques de base font du laser quelque chose d’extraordinaire qui, comme nous l’avons dit, ne peut être créé que de manière artificielle.

Création de la lumière (laser)

Si nous examinons maintenant la formation de la lumière et que nous y intégrons les conditions particulières des lasers, nous pouvons rapidement identifier les caractéristiques de la lumière laser (la représentation est très simplifiée et ne vise qu’à décrire la formation).

Ce que nous voyons comme de la lumière, ce sont les photons (quantum de lumière). Ils sont la plus petite unité d’action d’une interaction électromagnétique.

Tout d’abord, nous sélectionnons un élément que nous voulons faire passer au laser. Il existe certes des longueurs d’onde dites harmoniques qui, soit ne soutiennent pas la longueur d’onde en raison du revêtement des optiques, soit peuvent être “activées” en cas de besoin). L’élément est composé d’atomes, ceux-ci sont constitués du noyau et de l’enveloppe atomique. Le noyau positif et l’enveloppe négative sont solidement liés par l’attraction électrostatique. Or, dès que l’on apporte une énergie, l’équilibre électrostatique est modifié. L’énergie fournie permet aux électrons de l’enveloppe de s’éloigner davantage du noyau et de monter sur une coquille supérieure. L’atome est maintenant chargé positivement ou négativement et est appelé un ion. L’ion reste dans cet état pendant un court laps de temps, mais tente à nouveau d’atteindre l’état initial et libère alors l’énergie excédentaire sous la forme d’un photon. Comme ce retour se produit sans être stimulé, de la lumière est émise.

Si nous plaçons un miroir sur chacun des deux côtés opposés, il se peut qu’un photon frappe ce miroir et soit renvoyé dans la même direction que celle d’où il est venu. Comme les deux miroirs sont plans et parallèles, ce photon serait maintenant réfléchi d’un côté à l’autre. Comme d’autres atomes ont également un niveau d’occupation plus élevé et que les électrons chargés ne sont pas encore retombés, ces derniers seraient poussés par le photon réfléchi et stimulés à prendre le photon résultant avec eux dans la même direction et la même oscillation. Si ce processus démarre ainsi, les photons s’amplifient d’eux-mêmes par un effet d’avalanche dû à la décharge stimulée des autres atomes. Tant que l’énergie est fournie, la décharge stimulée a lieu et le processus laser est actif.

Grâce à la structure plan-parallèle des deux miroirs et au milieu laser placé entre eux, nous avons une cavité dans laquelle est maintenant générée une lumière parallèle monochrome et, par la stimulation, un rayonnement laser cohérent.

Pour pouvoir utiliser le faisceau laser, l’un des miroirs de la cavité est partiellement transparent. La perméabilité partielle est généralement assez faible, environ 5-10%. Cette transmission est toutefois suffisante pour obtenir des valeurs utilisables pour le traitement.

La longueur d’onde est déterminée par le milieu laser et est donc attribuée de manière fixe. Le milieu laser peut avoir différents états. Les supports laser sont :

• Laser à gaz, par exemple_CO2 ou argon
• solides, par exemple le rubis ou l’alexandrite
• colorant, par exemple rhodamine 6G ou coumarine
• Semi-conducteur, par exemple GaAs, ou GaAlAs.

L’apport d’énergie (également appelé “pompage”) peut se faire par l’application d’une tension électrique, d’une tension continue ou d’une fréquence radio, ou sous forme de pompage optique au moyen de lampes remplies de xénon et de krypton.

Grâce à la conception de la cavité laser, le faisceau laser est généré de telle sorte que la répartition de l’énergie dans le faisceau correspond au profil gaussien, la forme du faisceau a un TEM 00 – au centre, l’énergie la plus élevée possible, qui diminue lentement vers le bord.

Modes de fonctionnement

Les lasers sont classés en différents modes de fonctionnement en fonction de leur conception et de leur application. Il y a

• “continuous wave laser” (laser cw), c’est-à-dire laser à onde continue. Dans ce cas, le milieu laser fonctionne plus longtemps que 250 ms et a donc un effet thermique sur le tissu.
• Un sous-ordre est le “mode pulsé”, où le laser fonctionne à une fréquence fixe mais avec un contrôle variable de la largeur d’impulsion. L’avantage est que le tissu a des temps de récupération thermique courts et qu’il y a moins de contraintes thermiques périphériques sur le tissu.
• L’autre forme particulière en mode cw est la super-impulsion, l’ultra-impulsion, la shar-impulsion, etc. Ici, la puissance maximale du laser est toujours activée très brièvement, le nombre d’impulsions par seconde donne alors la puissance moyenne délivrée. L’avantage est que le tissu s’évapore instantanément et que l’on agit sur le tissu presque sans carbonisation.

Les lasers pulsés ne sont allumés que pour un éclair à la fois et émettent le faisceau laser en conséquence. Les lasers à longue pulsation fonctionnent dans la gamme des ms et de manière thermique pour dénaturer les tissus. Il est parfois nécessaire, d’un point de vue médical, de délivrer une courte séquence d’impulsions, celle-ci est contrôlée électroniquement et volontiers appelée “mode rafale”. Il s’agit d’un train d’impulsions qui, déclenché une seule fois, délivre deux à cinq impulsions en succession très rapide. Elle est utilisée pour détruire une couche pigmentée sans la brûler. Les lasers à impulsions courtes ou QS fonctionnent à l’échelle de la nanoseconde ou de la picoseconde. Les effets ne sont plus linéaires et ont donc un effet mécanique explosif sur le tissu cible (également appelé percée optique).

Densité énergétique

La densité de puissance ou d’énergie est la valeur qui, pour une surface définie, exprime la puissance ou l’énergie délivrée sur cette surface (tableau 2). Le tableau montre que le diamètre a un impact élevé sur l’effet au niveau du tissu. Une modification accidentelle de la distance peut modifier extrêmement le résultat. Sur certains lasers, la surface/taille de tache réglée n’est pas contrôlée électroniquement. Dans ce cas, il peut facilement arriver que les réglages ne soient pas synchronisés et qu’une sur- ou sous-action se produise.

Systèmes de transmission

Pour pouvoir amener la lumière laser au champ opératoire, nous avons besoin de systèmes de transmission capables de transporter cette lumière. Selon le type de laser, nous avons des besoins différents.

Fibres optiques : les câbles à fibres optiques d’un diamètre compris entre 50 µm et 1 mm peuvent être utilisés de manière très élégante et peuvent ainsi être introduits dans le corps via des endoscopes. À la sortie des fibres optiques, la lumière sort de manière divergente et est utilisée soit en mode contact, soit en mode sans contact. Il existe également diverses pièces à main qui appliquent la lumière laser sur les tissus, en fonction de l’application.

les ondes creuses : La transmission par tubes flexibles est plus rare. Ceux-ci ont une couche réfléchissante à l’intérieur pour réfléchir la lumière laser à travers ces ondes creuses, dont la durabilité et le coût sont limités. À la sortie, la lumière laser sort de manière divergente et est mise à disposition pour l’application par contact ou via d’autres optiques.

Bras articulé à miroir : il s’agit d’un ensemble de tubes plus longs, avec un miroir intégré dans chaque articulation, ce qui permet d’injecter la lumière dans le tube suivant. Le réglage doit être aligné très précisément, mais l’avantage est une très grande qualité de faisceau, car la lumière laser peut être transmise de manière optimale. La prudence est toutefois de mise, car la lumière du laser continue de sortir du bras en parallèle et est donc dangereuse quelle que soit la distance.

Projection libre du faisceau : grâce à une conception compacte, il est possible dans certains cas de projeter la lumière laser directement du résonateur sur le champ opératoire. Ici, le faisceau est spécialement préparé pour l’application et n’est généralement conçu que pour une seule application.

Grâce à la miniaturisation des composants, il est aujourd’hui possible de construire des pièces à main laser qui n’ont plus qu’à être reliées à l’unité de base par des câbles de connexion. La possibilité d’utiliser d’autres pièces à main avec d’autres lasers via l’unité de base élargit l’éventail des différentes options de traitement.

Classes de laser

Tous les lasers ne présentent pas le même degré de dangerosité, c’est pourquoi il existe des subdivisions en classes de laser qui expriment le danger par ordre croissant (tab. 3).

Les zones où sont utilisés des lasers de classe 3 et 4, et donc où sont émis des rayonnements dangereux, doivent être délimitées au niveau de la zone d’accès. En d’autres termes, chaque porte d’accès à la salle laser doit être signalée par des panneaux d’avertissement et, pour la classe 4, par des feux d’avertissement.

Risques liés à l’utilisation du rayonnement laser

Les substances présentes dans le champ opératoire peuvent être stimulées par le rayonnement laser pour produire différentes réactions. Les liquides alcooliques, les gaz, les gaz respiratoires ou même les gaz produits par l’organisme peuvent provoquer des incendies ou des explosions.

Les produits de décomposition du matériau dans la fumée ou les vapeurs, par exemple lors du traitement des verrues, donnent lieu à la formation de gaz dangereux pour la santé, de poussières ou de mélanges explosifs. Des substances chimiques et toxiques sont également produites, entre autres, lorsque des tubes, des gazes ou des couvertures sont irradiés. Un système d’extraction des fumées approprié devrait alors être obligatoire.

L’irradiation maximale autorisée (IMA) représente la valeur limite pour une irradiation sans danger de l’œil ou de la peau. Au niveau international, cette valeur est également appelée NOHD. Cette distance est indiquée individuellement pour chaque accessoire dans le manuel d’utilisation. La distance MZB (NOHD) peut aller de quelques mètres à l’infini. Après ce retrait, il n’est plus nécessaire de se protéger les yeux.

Les effets biologiques sur l’œil et la peau sont légèrement différents. La structure de l’œil étant beaucoup plus sensible que celle de la peau, les dommages y apparaissent beaucoup plus rapidement. Les yeux peuvent être endommagés à des longueurs d’onde inférieures à 400 nm ou supérieures à 2500 nm dans la partie antérieure de l’œil et entre 400 nm et 2500 nm dans la partie postérieure de l’œil. Au niveau de la peau, une longueur d’onde inférieure à 300 nm ou supérieure à 2500 nm peut endommager la surface de la peau et entre 300 nm et 2500 nm, la peau peut être endommagée jusqu’à une profondeur d’environ 6 mm.

Chaque longueur d’onde a une profondeur de pénétration et un comportement d’absorption typiques. Les lasers sont aujourd’hui très souvent utilisés en dermatologie. Le coefficient d’absorption est ici essentiel pour obtenir la bonne longueur d’onde (profondeur de pénétration) et l’absorption adaptée au tissu cible.

Étant donné que, dans le domaine médical en particulier, les personnes ne peuvent pas être protégées des appareils laser par des mesures architecturales, c’est ici qu’intervient le dernier maillon de la chaîne de sécurité, l’EPI. Les lunettes de protection laser, définies selon la norme DIN EN 207, sont généralement obligatoires et doivent être adaptées au laser en fonction de la longueur d’onde, du mode de fonctionnement et du niveau de protection (par exemple, pour un laser Nd:YAG DI 1000-1100 LB4 RH DIN S).

• En ce qui concerne le mode de fonctionnement (premier chiffre), nous avons l’abréviation D pour continu, I pour pulsé, RI pour impulsion géante et MI pour mode couplé, présents individuellement ou en combinaison sur les lunettes.
• La longueur d’onde (deuxième chiffre) est exprimée en nm et figure sur les lunettes sous forme de nombre ou de plage numérique.
• Pour le niveau de protection (troisième chiffre), 1 est le filtre le plus faible et 9 le plus fort. Selon la puissance/l’énergie du laser, il convient d’utiliser le verre filtrant le plus sûr. Le niveau de protection approprié doit être indiqué dans le manuel d’utilisation. Les lunettes plus anciennes peuvent encore porter le marquage précédent pour les filtres de protection “Lx” (“LBx” est le marquage actuel). Tant qu’ils sont conformes aux spécifications du fabricant, ils peuvent également être utilisés sans crainte. Les lunettes portant le marquage OD ne répondent à aucune norme européenne et ne peuvent donc pas être utilisées.

Conclusion

Le laser est un outil merveilleux qui nous permet de réaliser beaucoup de choses si nous savons gérer ses particularités. J’espère que cela vous a permis de vous familiariser avec ces particularités. Pour que vous puissiez utiliser le laser avec plaisir et succès à l’avenir !

Messages Take-Home

• Le laser est une source de lumière qui possède des propriétés particulières et qui ne peut être produite qu’artificiellement. Ce type de rayonnement n’existe pas dans la nature.
• La lumière artificielle se caractérise par les principes de base suivants : Elle est monochromatique, cohérente avec un trajet de faisceau parallèle.
• Les classes laser indiquent, par ordre croissant, les risques potentiels liés à l’utilisation du rayonnement laser.
• Si les mesures de construction pour la protection contre le rayonnement laser ne sont pas possibles, c’est ici qu’intervient le dernier maillon de la chaîne de sécurité, l’équipement de protection individuelle (EPI). Nous utilisons généralement des lunettes de protection laser ou des filtres de protection.