Brevet FR2713836A1 — publié le 19950616

La présente invention concerne un appareil à laser, à émission pulsée, utilisé dans le domaine industriel et plus particulièrement dans le domaine médical. L'objet de l'invention est d'exercer sur différents matériaux et notamment sur les tissus biologiques, deux modes d'action: I'un thermique et en profondeur, I'autre mécanique et en surface. Dans un domaine industriel tel que la micro-électronique, L'appareil permet d'effectuer des microsoudures, avec le mode d'action thermique et des découpes ou des gravures superficielles, avec le mode d'action mécanique. Dans le domaine médical, l'appareil permet d'effectuer les traitements suivants - coupe, coagulation, cautérisation, vaporisation de tissus mous (muqueuse, pulpe, parenchyme, muscle, tumeur, ...), ou fusion de tissus durs, avec le mode athermique, - perçage, fracture, gravure de tissus durs (émail, dentine, calculs, os, cartilage, plaques d'athérome, ...), ou vaporisation superficielle de tissus mous, avec le mode mécanique. Ces deux types d'effet, thermique et mécanique, sont obtenus à l'extrémité d'un élément de transmission unique, par exemple une fibre optique souple qui facilite l'accès à l'intérieur des organes creux. Toutefois, sous l'effet des fortes puissances crêtes nécessaires à l'effet mécanique, les éléments de transmission du faisceau, en particulier les fibres optiques, se détériorent très rapidement. On connait des appareils à laser conçus pour obtenir ces deux types d'effets, par exemple: - le brevet WO 90 / 12548 décrit deux lasers différents, à l'intérieur du même appareil, avec des moyens permettant de transmettre l'un ou l'autre des faisceaux issus de ces deux lasers, à travers une fibre optique. Ceci se traduit par un appareil complexe, encombrant et coûteux. - le dispositif commercialisé sous le nom de "COMBO-LASER" par la société LASERMAIIC utilise aussi deux lasers, I'un à YAG, I'autre à C02, à l'intérieur du même appareil. Le faisceau du laser à C02 n'étant pas transmissible par fibre optique, est guidé par un bras articulé à miroirs, encombrant et fragile, qui limite considérablement le champ d'application de l'appareil. La présente invention propose un appareil à laser de réalisation simple et peu onéreuse, permettant d'obtenir les deux modes d'action désirés, à l'extrémité d'un élément de transmission unique pouvant être par exemple une fibre optique, sans le détériorer. Ce résultat est atteint en agissant sur les formes temporelles des impulsions laser. Ainsi, l'effet thermique est obtenu avec des impulsions laser de durée relativement longue, par exemple de 10 microsecondes à 10 millisecondes, et l'effet mécanique, avec des impulsions laser de durée plus courte, par exemple de 10 nanosecondes à 1 microseconde. Toutefois, les principales difficultés sont les suivantes: - Obtenir ces deux types d'émission lumineuse avec un seul laser, - Transmettre les dites émissions lumineuses à travers un élément de transmission unique, par exemple une fibre optique. La figure 1 représente une première vanante de réalisation permettant de délivrer de telles impulsions. Il comporte > par exemple un laser à solide à excitation pulsée par lampe à décharge (flash) ou diodes laser, avec une durée d'excitation comprise entre 10 microsecondes et 10 millisecondes. Ses éléments optiques sont schématisés sur les figures 1 et 2. Le milieu actif (1) est généralement constitué d'un cristal de YAG dopé au Néodyme ou à l'Holmium. n peut être avantageusement un cristal de KGW (Tungstate de Potassium et de Gadolinium) dopé au Néodyme. L'excitation est assurée par une lampe à décharge (2) au Xénon ou au Krypton, ou par des diodes laser. La cavité laser est constituée de deux miroirs (3) et (4) disposés perpendlculairement au faisceau laser, de part et d'autre du matériau actif. Le faisceau laser (6) est transmis par une fibre optique (7). Un élément optique à absorption saturable (5) est placé sur le trajet du faisceau, à l'intérieur de la cavité résonante. Celui-ci permet, par un effet appelé "Déclenché" ou "Q-Switch", de bloquer, puis de relacher instantanément l'énergie emmagasinée dans le matériau actif (1) et d'obtenir ainsi une émission laser de durée très courte et de puissance crête très élevée. Des moyens sont prévus pour déplacer l'élément optique à absorption saturable (5) entre deux positions: - dans la position 1, cet élément est placé en dehors du faisceau et de la cavité laser, - dans la position 2, il est placé sur le trajet du faisceau laser, à l'intérieur de la cavité résonante. Les figures 3 à 6 représentent les formes temporelles des oscillations (10) contenues dans les impulsions laser (12) obtenues avec les deux variantes de l'invention. La position 1 (Fig. 3) correspond au mode d'émission "relaxé", c'est à dire en oscillations libres (10). Dans ce cas, la durée (11) des impulsions (12) est voisine de la durée d'excitation, soit 10 cils à 10 ms. L'énergie des impulsions et leur cadence de répétition sont adaptées à l'effet désiré, en agissant sur l'énergie et la cadence d'excitation. Par exemple, une énergie de 1 Joule, pendant 1 ms, à la cadence delO Hz, soit une puissance moyenne de 10 Watts et une puissance crête de 1 KW permettent d'obtenir des effets thermiques. La position 2 (Fig.4) correspond au mode d'émission "déclenché" ou "Q-Switch". Dans ce cas, la durée des impulsions (13) est de quelques nanosecondes à quelques centaines de nanosecondes et la puissance crête (14) de 10 KW à 10 MW, ce qui permet d'obtenir des effets mécaniques. Or, les faisceaux laser de puissance crête supérieure à 1 MW se prêtent difficilement à la transmission par fibre optique, car ils créent des piqures sur la face d'entrée de cette fibre ou au voisinage de cette face. Par un effet surprenant, en utilisant un élément "déclencheur" (5) à absorption plus faible, c'est à dire devenant transparent à plus bas niveau d'éclairement lumineux, on obtient une rafale de plusieurs impulsions (13) dont l'énergie et la puissance crête (14) sont plus faibles que celles de l'impulsion unique obtenue en mode "Déclenché" ou "Q-Switch" habituel, tout en conservant la même énergie totale. Ceci réduit considérablement les risques de détérioration de la fibre optique, tout en conservant l'efficacité du faisceau laser en sortie de fibre. Le déclencheur à absorption saturable (5) est de préférence une lame en YAG dopé au Chrome qui résiste parfaitement aux puissances crête et aux cadences élevées. Il peut être aussi l'un des types suivants: - liquide en circulation dans une cuve à faces parallèles, - lame en FLUORURE de LITHIUM, - feuille de BDN. L'énergie de chaque impulsion est proportionnelle à l'absorption à bas niveau de l'absorbant saturable et le nombre d'impulsions est proportionnel à l'énergie de pompage. On obtient ainsi une rafale de plusieurs impulsions laser (13) dont la puissance crête (14) est nettement plus élevée qu'en mode relaxé (Fig.3). En choisissant le nombre d'impulsions (2 à 100) et l'énergie par impulsion (1 à 100 mJ), il est possible d'optimiser l'effet de choc désiré, tout en évitant la destruction des fibres optiques. Le nombre d'impulsions d'une rafale peut être augmenté en augmentant l'énergie de pompage. Par exemple, une rafale (15) de 20 impulsions de 5 mJ, de 10 ns chacune (Fig.4), étalées sur une milliseconde, répétée 10 fois par seconde > correspond à une puissance moyenne de 1 Watt et à une puissance crête de 500 Kilowatts, ce qui est suffisant pour obtenir un effet mécanique. Le déplacement du déclencheur (5) peut être effectué de façon manuelle ou au moyen d'un dispositif motorisé commandé par exemple par une touche du clavier de commande. Selon une seconde variante de l'invention (Fig.2), le laser ne comporte pas d'élément "déclencheur" n comporte une seconde cavité résonante constituée des miroirs (3') et (4') et des moyens permettant de positionner l'une ou l'autre des cavités (3), (4) ou (3'), (4') dans l'axe du matériau actif. Les miroirs (3) et (3') sont à réflexion totale. Les miroirs (4) et (4') ont des coefficients de réflexion differents, optimisés suivant l'effet désiré. Le miroir de sortie (4) a un coefficient de réflexion relativement élevé (de 50 à 90%), par exemple 70%, pour obtenir une émission laser "relaxée" à faible contraste, c'est à dire dont la puissance crête est peu différente de la puissance moyenne. On favorise ainsi l'effet thermique. Le miroir de sortie (4') a un coefficient de réflexion relativement faible (de 10 à 50%), par exemple 30%, pour obtenir une émission laser "relaxée" à fort contraste, c'est à dire dont la puissance crête (16) est très supérieure à la puissance moyenne. On favorise ainsi l'effet mécanique. Le rapport des puissances crête obtenues entre les deux modes d'émission (Fig.5) et (Fig.6) est de l'ordre de 10, ce qui est nettement moins élevé que dans la première variante de l'invention (Fig.3) et (Fig.4), toutefois, I'expérience montre que le faisceau laser obtenu avec la cavité (3'), (4') est nettement plus efficace sur les tissus durs et plus superficiel sur les tissus mous que celui obtenu avec la cavité (3), (4). En outre, cette seconde variante représente un compromis intéressant car les puissances crête obtenues (16) sont dans la plage des quelques centaines de Watts à quelques dizaines de Kilowatts, ce qui autorise la transmission du faisceau laser par des fibres optiques relativement fines (2001lm par exemple), sans risque de détérioration de celles-ci. Le passage d'un mode à l'autre s'effectue par substitution d'une cavité à l'autre. Toutefois, dans une forme préférée de réalisation, les réflecteurs (3), (4) de la cavité résonante et (3'), (4') de la cavité résonante supplémentaire sont portées par un même support rigide susceptible d'être déplacé entre au moins deux positions distinctes, dont l'une correspond à un alignement des réflecteurs de la cavité résonante avec le dit milieu actif, et dont l'autre correspond à un alignement des réflecteurs de la cavité résonante supplémentaire avec le dit milieu actif. La commutation s'effectue en déplaçant l'ensemble support / miroirs par rapport à la tête laser de façon manuelle ou au moyen d'un dispositif motorisé commandé par exemple par une touche du clavier de commande. L'appareil suivant l'invention trouve des applications dans le domaine industriel et dans le domaine médical. Dans le domaine industriel, il permet par exemple de souder des fils métalliques ou des pattes de composants entre eux ou sur un substrat adéquat, en utilisant le mode athermique, et de couper, de volatiliser ou de graver des parties de circuit ou de composant, en utilisant le mode mécanique. Dans le domaine médical, il permet au praticien d'obtenir des effets de coupe, coagulation, cautérisation, vaporisation, sur les tissus mous, en utilisant le mode thermique et des effets de coupe, perçage, gravure, fracture, sur les tissus durs, en utilisant le mode mécanique. Un avantage important de l'invention réside en le fait que les deux modes d'action sont obtenus avec un seul appareil et à travers un moyen de transmission unique, par exemple une fibre optique. Parmi les principales applications médicales de l'appareil, citons - 1'Art dentaire avec par exemple le traitement des caries, la pénétration des canaux, la frénectomie, - la Dermatologie avec par exemple l'ablation des tatouages et autres lésions pigmentées, ainsi que la coagulation des angiomes, - 1'Arthroscopie avec par exemple l'ablation d'os, de cartilage, de synoviale, - 1'Urologie avec par exemple la fragmentation des calculs et la coagulation des tumeurs de la vessie et de la prostate, - l'Oto-Rhino-Laryngologie avec par exemple la découpe et la perforation de parois osseuses ainsi que la vaporisation de polypes. Toutes ces applications mettent en oeuvre les deux modes d'action mécanique et thermique de l'appareil sur des tissus durs et des tissus mous respectivement. On peut aussi utiliser le mode d'action dit mécanique sur certains tissus mous pour obtenir un effet thermique superficiel, sans aucune nécrose en profondeur, ou le mode d'action thermique pour obtenir un effet de fusion sur certains tissus durs. REVENDICATIONS: 1 - Appareil à laser à émission pulsée, à deux modes d'action, du type comportant une cavité résonante qui comprend un ensemble de deux réflecteurs différents, et dans laquelle est disposé un milieu actif susceptible d'engendrer un rayonnement sous l'action de moyens d'excitation reliés au dit milieu actif caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour le déplacement d'au moins un élément de la cavité laser, dans le but d'en modifier les caractéristiques d'émission. 2 - Appareil à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile est un "déclencheur", du type à absorption saturable permettant, à chaque impulsion de pompage, d'obtenir l'émission d'un train de plusieurs impulsions laser de durée courte et de puissance crête élevée. 3 - Appareil à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième cavité résonante et en ce qu'il est prévu des moyens pour le déplacement des cavités résonantes, permettant de positionner l'une ou l'autre de ces cavités résonantes dans l'axe de l'élément actif. 4 - Appareil à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une cavité résonante optimisée pour l'émission d'impulsions laser "relaxées" à forte modulation, c'est à dire à rapport élevé entre la puissance crête et la puissance moyenne et une cavité résonante optimisée pour l'émission d'impulsions laser "relaxées" à faible modulation, c'est à dire à rapport faible entre la puissance crête et la puissance moyenne. c 5 - Appareil à laser selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu actif est un cristal de KGW (Tungstate de Potassium et de Gadolinium dopé au Néodyme). 6 - Appareil à laser selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément déclencheur est un cristal de YAG dopé au Chrome. 7 - Appareil à laser selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le milieu actif est un cristal de YAG dopé au Néodyme. 8 - Appareil à laser selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le faisceau laser est transmis par un élément de transmission unique constitué de préférence par une fibre optique. 9 - Appareil à laser selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans le domaine dentaire, sur les tissus mous et sur les tissus durs.