Physique-Chimie Sirius Term S - Physique - Chimie - Collection Sirius

Ce dossier comprend :
- la présentation d'une application médicale de ce type de laser ;
- deux documents présentant des applications industrielles ;
- une vidéo présentant le laser femtoseconde. ( L'objectif de cet exercice est de rédiger une synthèse de documents afin
de présenter les principaux intérêts du laser femtoseconde dans des
applications très variées. Le texte rédigé (de 25 à 30 lignes) devra être clair et structuré et
reposera sur les différentes informations issues des documents proposés. DOCUMENT 1. Présentation d'une application médicale du laser femtoseconde
(ou présentation du laser femtoseconde)
Le laser femtoseconde a été inventé au début des années 80 et put être
commercialisé dès 1990. La caractéristique principale de cet appareil est
de travailler avec des impulsions extrêmement brèves, de l'ordre de la
femtoseconde, soit 10-15 secondes (0,000 000 000 000 001 seconde). Cette
faible durée d'impulsion permet d'éviter les effets thermiques. En effet le
rayon laser est tellement bref qu'il ne peut pas faire bouger les atomes,
il a en revanche comme effet d'arracher les électrons des atomes
(ionisation) et donc de former des ions qui vont créer un plasma froid
(mélange gazeux d'ions et d'électrons). L'énergie transférée aux électrons
ne leur permet pas d'aller très loin, et on assiste à une recombinaison des
ions dans un espace proche de l'ionisation. Il y a vaporisation de la
matière, en la sublimant (passage de l'état solide à l'état gazeux). Cela
va aboutir à la création de plus de 600 000 petites bulles de gaz
contiguës. Ce femto laser est un laser solide qui fonctionne dans l'infrarouge
(1 053 nm), et qui permet une découpe améliorée du capot cornéen pratiquée
dans la technique du lasik. Il offre même la possibilité d'une chirurgie
sans instrument. Ce laser agit dans un milieu d'amplification solide et créant en unité
femtoseconde des mini spots espacés de 5 à 12 µm se rejoignant avec
cavitation au sein du stroma cornéen (création de microcavitations
contiguës). Les différents points de photodissection sont contrôlés par le
repositionnement répété du foyer du laser. L'impulsion est courte: moins de
500 femtosecondes pour une puissance de 109 W. La progression du tir s'effectue à partir de la charnière et va vers la
profondeur avec une précision telle que la déviation standard théorique
n'est que de +/-4 µm pour une déviation clinique de 12 µm ce qui est
actuellement le système le plus précis. Une fois focalisé au plan choisi il
se produit une rupture optique à basse énergie sans effet thermique ni de
souffle dans le plan lamellaire prédéterminé. Il n'y a pas d'ablation de
tissu mais micro dissection intra lamellaire par création de bulles mixant
de l'eau et du carbone dioxyde. L'obtention de cet effet nécessite une
grande vitesse photonique et des impulsions très denses pour permettre un
claquage optique par activation du champ électro-magnétique en conservant
des volumes plasmatiques et ioniques voisins. À partir du point focalisé de
l'impulsion il se produit une onde provoquant la libération d'un gaz qui
écarte les tissus, diffuse et se dilue en laissant à la fin de sa
disparition une zone de mini ablation tissulaire. Le retentissement sur les
couches tissulaires supérieures et inférieures est nul. Il y a une forte puissance de crête au niveau de l'impact, grâce à la
faible durée de l'impulsion. On observe une absorption multiphotonique
importante dans le matériau: le milieu transparent devient localement
absorbant. Ces techniques évoluent beaucoup actuellement dans différents domaines,
ainsi la femtochimie a été récompensée par le Prix Nobel de chimie en 1999. On a déjà travaillé sur des lasers qui délivrent des impulsions de durée
encore plus brève, de l'ordre de l'attoseconde, soit 10-18 secondes
(0,000 000 000 000 000 001 seconde). En dehors des difficultés importantes
pour mettre au point ce type d'attolaser, les électrons recevant une très
grande énergie vont être très accélérés et traverser des distances
importantes. Ils seraient responsables de lésions organiques majeures
(altérations de l'ADN, création d'ions oxydants), donc on peut penser qu'on
ne s'en servira pas encore en médecine. D'après le site Internet http://www.snof.org/chirurgie/femtoseconde.html DOCUMENT 2. Quelques applications du laser femtoseconde - Pouvoir observer des phénomènes très rapides (comme la dissociation d'une
liaison chimique entre deux atomes) Quand on photographie quelqu'un qui bouge rapidement, la photo est floue.
Toutes les positions successives apparaissent sur la photo sans que l'on
sache dans quel ordre elles ont été adoptées. Si, en revanche, on dispose
d'un obturateur très rapide, on peut faire une série de photographies et
ainsi décomposer le mouvement. C'est ainsi que, grâce à la
chronophotographie utilisant des appareils photographiques avec obturateur
rapide, des mouvements comme le galop du cheval peuvent être décomposés. Les impulsions femtosecondes jouent le rôle de l'obturateur rapide à une
échelle de temps 109 à 1010 fois plus brève. On envoie ces flashs
ultrabrefs de lumière pour sonder les propriétés optiques de la matière
(transmission, réflexion, ...) à l'instant précis de l'arrivée de
l'impulsion femtoseconde. Quand on veut observer, par exemple, un grand
nombre de molécules, il faut qu'elles se trouvent toutes dans le même état
sinon on aura un effet de moyenne (de flou). Pour synchroniser toutes les
molécules, on utilise une impulsion plus intense, appelée « pompe », qui
déclenche le processus physique qu'on veut étudier. Ensuite on fait arriver
l'impulsion sonde à différents instants après le déclenchement du
processus. Ces différents retards de la sonde par rapport à la pompe sont
obtenus en faisant varier la longueur du chemin optique de la sonde. Comme
la vitesse de la lumière vaut 300 000 km/s, en faisant parcourir à la sonde
30 µm de plus, elle arrivera 100 fs plus tard. En lui faisant parcourir 3 m
de plus, elle arrivera 10 ns plus tard. Ce type d'expérience est appelé
expérience pompe-sonde. - Concentrer beaucoup d'énergie en très peu de temps
Grâce aux lasers femtosecondes, on peut exposer les matériaux à des
énergies très élevées pendant des temps très courts et étudier leur
propriétés dans ces conditions extrêmes. On peut ainsi rester en dessous du
seuil de dommage des matériaux, ce qui ne serait pas le cas si on exposait
les matériaux à ces niveaux d'énergie pendant plus longtemps. - Micro-usinage
On peut également utiliser ces fortes concentrations d'énergie dans le
temps pour le micro-usinage des matériaux. Dans le cas des impulsions
femtosecondes, on évite l'échauffement des zones avoisinantes qui est
inévitable lorsqu'on utilise des impulsions plus longues (1 ns = 10-9 s). D'après le site Internet
http://reseau-femto.cnrs.fr/squelettes/popups/popupVulgarisation.htm
DOCUMENT 3. Application industrielle du laser femtoseconde Les lasers présents en milieu industriel sont surtout des lasers continus,
de forte puissance moyenne, et produisant un rayonnement dont la longueur
d'onde est dans l'infrarouge (par exemple laser à C02 de 3,5 W dans la
société DESARMAUX-FAURIE). Il existe aussi des lasers à impulsions (comme
les lasers à excimères, qui produisent un rayonnement dans l'ultraviolet). Dans une impulsion laser on concentre l'énergie disponible dans un temps
très court. La puissance atteinte est d'autant plus grande que l'impulsion
est courte. On a donc intérêt à utiliser des impulsions très courtes. Il
est possible d'atteindre aujourd'hui la dizaine de femtosecondes. L'énergie
dont on peut disposer est capable d'usiner par ablation n'importe quel type
de matériaux, même ceux qui restaient inaccessibles aux techniques laser.
Une caractéristique importante est la période entre les impulsions, c'est à
dire le temps qui
s'écoule entre deux impulsions. Typiquement on peut atteindre une cadence de
1 00 impulsions par seconde. L'interaction laser-matière en mode femtoseconde a des propriétés
étonnantes, directement intéressantes pour les applications industrielles :
l'interaction est athermique (c'est dire qu'il n'y a pas d'effets
thermiques associés à l'interaction et donc pas d'altération des zones
voisines de la zone traitée, pas de bavures d'usinage). La conséquence de
cette propriété est qu'un tel rayonnement n'est pas adapté au soudage,
domaine d'excellence des lasers de puissance. Extraits de l'article « Le laser femtoseconde en milieu industriel »,
Audouard, Laboratoire Traitement du Signal et Instrumentation,
Université Jean Monnet, Saint Étienne.
http://www.univ-st-etienne.fr/tsi/slaser/PFfemto/complements/OetP99.htm DOCUMENT 4. Le laser femtoseconde La vidéo est disponible sur le site Internet :
http://reseau-femto.cnrs.fr/squelettes/popups/popupVulgarisation.htm
Elle est également disponible dans le manuel numérique enrichi Sirius
TermS. Cette vidéo porte sur le principe du laser femtoseconde et ses
applications, notamment dans le milieu de l'industrie. Cette vidéo est
extraite du document vidéo réalisé par le laboratoire TSI, avec le soutien
de MECAPOLE.