LES LASERS À IMPULSIONS ULTRA-BRÈVES À USAGE CHIRURGICAL ET LEUR INTERACTION AVEC LE TISSU

Ce troisième chapitre présentera les bases de la physique régissant les principes des lasers à impulsions ultra-brèves. Une présentation des caractéristiques des lasers femtoseconde en usage en chirurgie de la cornée permet ensuite de faire un tour d’horizon de ce qui existe et des évolutions récentes. Dans cette thèse, le laser est avant tout un outil pour optimiser la chirurgie de la cornée, nous verrons donc ensuite quelle est la physique de l’interaction laser tissu et comment le laser femtoseconde permet une telle intervention. De façon générale, quelque soit la forme et le spectre de l’impulsion, le produit de la largeur temporelle par la largeur spectrale doit satisfaire au principe d’incertitude d’Heisenberg tel que  Par conséquent, si une impulsion gaussienne vérifie l’égalité dans l’équation ci- dessus, on dit qu’elle est limitée par transformée de Fourier. On est alors au minimum de durée temporelle possible pour une impulsion de largeur spectrale donnée. Ainsi, dans le visible et le proche-infrarouge, pour avoir une impulsion subpicoseconde, il est nécessaire d’avoir un spectre large d’au moins quelques nanomètres. Or, l’indice optique d’un milieu étant dépendant de la longueur d’onde, la largeur spectrale des impulsions implique de prendre en compte la dispersion de vitesse de groupe lors de leur propagation, ainsi :  où Φ(1) correspond à un retard constant dans la propagation de l’impulsion (indépendant de la fréquence), il ne modifie donc pas les propriétés de l’impulsion. Φ(2) est connu sous le nom de dispersion de vitesse de groupe, et engendre un retard linéaire avec la fréquence.

Les lasers femtosecondes

Deux technologies laser femtoseconde sont actuellement couramment utilisées en ophtalmologie clinique ou pour la recherche dans ce domaine. Une technologie basée sur des verres dopées au néodyme ou à l’ytterbium permet de générer des impulsions de quelques centaines de femtoseconde centrées en longueur d’onde autour de 1µm. Une autre technologie basée sur des cristaux de saphir dopés au titane donne accès à des impulsions de quelques femtosecondes centrées autour d’une longueur d’onde de 800 nm. Dans les deux cas, la longueur d’onde d’émission et la durée des impulsions en font des sources adaptées à la découpe du tissu cornéen. Cependant, la première présente l’avantage d’utiliser des diodes lasers comme sources de pompe, ce qui la rend plus simple à utiliser et plus fiable. De plus, ce type de sources donne lieu à un encombrement réduit. C’est donc cette technologie qui est aujourd’hui largement utilisée pour des applications industrielles et cliniques. C’est pourquoi je détaillerai ici principalement l’état de l’art et les dernières avancées en matière de lasers femtoseconde pompés diode et émettant vers 1 µm. Durant mon doctorat, j’ai travaillé sur une source utilisant un cristal dopé à l’ytterbium ainsi que sur une source ti:saphir. Le principe reste généralement le même si ce n’est que dans le cas des lasers ti:saphir, les diodes de pompe sont remplacées par des lasers argon pour l’oscillateur et par des lasers à néodyme doublés en fréquence pour l’amplification des cristaux de ti:saphir.D’autre part, nous verrons en détail dans la section 3.2 que l’effet de découpe dans le tissus cornéen se fait au seuil de rupture et nécessite donc un minimum de densité d’énergie, d’où la nécessité d’avoir des impulsions ultracourtes de quelques µJ ou fortement focalisées. Le patient n’étant pas endormi pour ces interventions, il est également important de proposer une procédure rapide ce qui ne peut se faire qu’à des cadences minimales de quelques 10 kHz. La technique CPA [102] permet d’amplifier les impulsions émises depuis un simple oscillateur dans un second cristal amplificateur, comme suggéré dans la figure 20. Afin d’obtenir des impulsions subpicoseconde en sortie d’oscillateur, celui-ci est basé sur la technologie de verouillage de modes passif. Le principe de blocage de mode consiste à obtenir une phase fixe entre les différents modes oscillants dans la cavité laser. Ces modes peuvent alors interférer pour générer des impulsions ultracourtes en sortie de l’oscillateur. La technique des absorbants saturables semi-conducteurs est ainsi couramment utilisée pour sa compacité, sa simplicité et sa robustesse. Elle permet de démarrer et de maintenir le régime de blocage de modes [103].