Brevet FR2939974A1 — publié le 20100618

La présente invention concerne un laser impulsionnel à fibre optique apte à générer des impulsions ultra-brèves et de forte énergie à une cadence élevée et dont la longueur d'onde d'émission se situe dans une fenêtre de transparence de la cornée. Plus précisément l'invention concerne un laser à fibre optique et à dérive de fréquence pour l'amplification d'impulsions sub-picoseconde de forte énergie et dont la longueur d'onde d'émission est comprise entre 1565 nm et 1625 nm. Un tel laser permet de générer des impulsions laser de forte énergie , io c'est à dire dans la suite de ce document dont l'énergie est comprise entre 100 nanojoules (nJ) par pulse et 100 microjoules (�J) par impulsions, avec un taux de répétition élevé (10kHz - 1MHz) et présentant une bonne qualité spatiale de faisceau de sortie (proche d'un faisceau gaussien, M2 Or la cornée oedémateuse est fortement diffusante pour les longueurs d'onde proches de 1 �m. L'énergie des impulsions laser n'est donc plus suffisante au point de focalisation pour assurer une découpe efficace. De tels lasers ne sont pas adaptés à la découpe rapide, précise et fiable de cornées pathologiques. Il n'existe pas à ce jour de laser sub-picoseconde, à base de fibres dopées Erbium, suffisament énergétique pour la découpe de cornée et fonctionnant dans le domaine de longueur d'onde compris entre 1565 nm et 1625 nm. io Les amplificateurs à fibres optiques dopés Erbium pompés par des diodes lasers à 980 nm ou 1480 nm présentent certes une bande d'émission de 1565 à 1625 nm (dite bande L en télécommunications). Toutefois, pour la bande L, la longueur de fibre optique amplificatrice doit être beaucoup plus importante que pour la bande C (entre 1530 nm et 1565 nm). Les impulsions 15 se propageant sur une grande longueur de fibre subissent des effets non linéaires qui déforment ces impulsions temporellement. De plus, le gain spectral d'un amplificateur en bande L pompé par une diode laser à 980 nm ou 1480 nm varie fortement le long de la fibre amplificatrice. Un tel amplificateur ne permet pas de générer des impulsions sub-picoseconde et de 20 forte énergie dans la bande L. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne plus particulièrement un laser impulsionnel à fibre optique et à dérive de fréquence pour l'amplification d'impulsions sub-picoseconde de bonne qualité spatiale et de forte énergie comprenant un oscillateur, un étireur 25 à fibre, au moins un réducteur de cadence, un ou plusieurs étages de pré-amplification, un étage d'amplification de puissance et un compresseur. L'oscillateur est apte à émettre des impulsions lumineuses de durée subpicoseconde, dont l'énergie est comprise entre 10 pJ et 10 nJ et dont la longueur d'onde d'émission est comprise entre 1565 à 1625 nm. L'étireur à 30 fibre est apte à étirer temporellement ces impulsions lumineuses. Chaque étage de pré-amplification comprend une section de fibre optique dopée Erbium ou co-dopée Erbium-Ytterbium et une pompe apte à pomper optiquement la section de fibre optique de préamplification. Le (ou les) réducteur de cadence est apte à réduire le taux de répétition des impulsions laser de sortie entre 10 kHz et 1 MHz. L'étage d'amplification de puissance comprend également une section de fibre optique dopée Erbium ou co-dopée Erbium-Ytterbium et une pompe apte à pomper optiquement cette section de fibre optique. En sortie de l'étage amplificateur de puissance, un compresseur est apte à recomprimer temporellement les impulsions lumineuses amplifiées. io Selon l'invention, la pompe de l'amplificateur de puissance génère au moins une longueur d'onde de pompe (Xp) dans la bande de longueurs d'onde comprise entre 1530 et 1565 nm de manière à obtenir des impulsions de sortie du laser dont la longueur d'onde d'émission est comprise entre 1565 nm et 1625 nm et dont l'énergie est comprise entre 100 nJ et 100 �J. 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, la section de fibre optique de l'étage d'amplification de puissance est une fibre à large coeur (LMA large mode area). Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le faisceau en sortie est de bonne qualité spatiale, de coefficient M2 inférieur à 1,5. 20 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la pompe de l'amplificateur de puissance est un laser à fibre optique dopée erbium ou codopée erbium-ytterbium. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la pompe de l'amplificateur de puissance est couplée directement dans le coeur dopé de la 25 de la fibre optique amplificatrice de puissance. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la pompe de l'amplificateur de puissance est apte à pomper la section de fibre optique de l'amplificateur de puissance de manière co-propagative et/ou contrapropagative. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la pompe de l'amplificateur de puissance est apte à générer au moins une seconde longueur d'onde de pompe (Xp') comprise entre 1530 nm et 1565 nm. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la longueur d'onde (Xp) de la pompe de l'amplificateur de puissance est ajustable de manière à optimiser spectralement et temporellement les impulsions de sortie. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la pompe de l'amplificateur de puissance est un laser à fibre optique. L'invention concerne également un outil laser pour chirurgie io ophtalmique comprenant un laser impulsionnel à fibre optique selon l'un des modes de réalisation décrits. Selon un mode de réalisation particulier de l'outil laser pour chirurgie ophtalmique de l'invention, l'énergie des impulsions laser est supérieure à 100 nJ. Les caractéristiques d'un tel laser ci-dessus énoncées permettent de 15 disposer d'un laser générant des impulsions laser sub-picoseconde d'énergie comprise entre 100 nJ et 100 �J et dont la longueur d'onde est située entre 1565 et 1625 nm. Une première application particulièrement avantageuse du laser impulsionnel sub-picoseconde, haute énergie et bande L de l'invention 20 concerne un outil laser de chirurgie ophtalmique pour la découpe profonde de cornée dans l'oeil humain ou animal. Dans ce texte, on entend par sub-picoseconde des impulsions dont la durée est généralement inférieure à la picoseconde, et peut s'étendre jusqu'à 1 ou 2 picoseconde. Et on entend par impulsions femtoseconde, des 25 impulsions dont la durée s'étend de 1 à plusieurs centaines de femtosecondes. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement 30 possibles. Cette description est donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un mode de réalisation d'un dispositif de 5 l'invention ; - la figure 2 représente des courbes de puissance moyenne en fonction de la longueur de fibre amplificatrice pour deux longueurs d'onde de pompe (Xp) ; - la figure 3 représente des courbes de gain spectral (a) pour io différentes longueurs d'onde de pompe (Xp) et longueurs de fibre (LF) de l'amplificateur de puissance. Selon le mode de réalisation préféré représenté schématiquement Figure 1, le laser impulsionnel 10 de l'invention est constitué de plusieurs parties : un oscillateur 1 produisant des impulsions sub-picoseconde, un 15 réducteur de cadence 2 de type modulateur accousto-optique ou electrooptique, un étireur d'impulsions 3, un étage de préamplification à fibre optique 4, un étage d'amplification de puissance à fibre optique 7, et un compresseur d'impulsions 9. Le laser 10 est essentiellement constitué de composants fibrées, dont 20 la partie active est une fibre dopée Er ou codopée Er-Yb. L'oscillateur 1 émet des impulsions lumineuses 11 de durée sub-picoseconde et dont la longueur d'onde centrale est comprise entre 1565 et 1625 nm. Les fonctions de compensation de dispersion et de verrouillage de mode sont réalisées en optique guidée. Le verrouillage de mode peut être actif, avec l'utilisation de 25 modulateurs électro-optiques, ou passif, exploitant par exemple l'effet de rotation de polarisation non linéaire ou d'un miroir de Bragg absorbant saturable. Le réducteur de cadence 2 est constitué d'un modulateur électrooptique ou acousto-optique, qui peut-être massif (faisceaux en espace libre) 30 ou intégré et connectorisé à des fibres optiques. Le réducteur de cadence 2 permet d'ajuster la cadence de répétition des impulsions selon la tâche à effectuer. La cadence et/ou le nombre d'impulsions par salve seront optimisés selon le type d'application. L'étireur 3 est un système dispersif qui peut être réalisé par un tronçon de fibre optique à dispersion fortement normale (DCF pour Dispersion Compensating Fiber), d'une longueur ajustée afin d'obtenir l'étirement désiré. L'étireur peut également être réalisé à l'aide d'une combinaison de composants optiques massifs comme des prismes et réseaux de diffraction ainsi que des lentilles et miroirs pour réaliser le système d'imagerie optique. Ce système sert à allonger la durée des impulsions initiales 11 afin de limiter io les effets non-linéaires dans les étages de préamplification et d'amplification de puissance. Les étages de préamplification et d'amplification de puissance sont à base de fibres 4 respectivement 7 dopées Erbium ou codopées Er-Yb. Les étages de préamplification peuvent être pompés par des diodes 15 monoémetteur 6 couplées dans le coeur monomode de la fibre amplificatrice 4. Le dispositif comprend également des isolateurs optiques 5, 5'. L'étage de puissance présente la principale originalité du système, et est décrit ci-après. Le compresseur 9 est un dispositif dispersif réalisant (au premier ordre) la fonction de dispersion inverse de celle de l'étireur. Plus précisement, le 20 compresseur prend aussi en compte la compensation de la dispersion se produisant dans les différents amplificateurs. Ce compresseur 9 peut être, tout comme l'étireur 3, réalisé à l'aide de composants fibrés ou d'une combinaison de composants optiques massifs comme des prismes et réseaux de diffraction. Pour affiner la compression, le compresseur 9 peut aussi 25 contenir des composants massifs, voire des miroirs diélectriques à pas variable (� chirped �). Le compresseur 9 recomprime temporellement les impulsions lumineuses amplifiées 17 afin de générer des impulsions laser de sortie 20 amplifiées et comprimées temporellement. L'étage de puissance constitue le coeur du système car il doit répondre 30 à des critères antagonistes : - d'une part, son architecture doit limiter le plus possible les effets non linéaires afin d'éviter toute dégradation temporelle des impulsions subpicoseconde. Ceci tend à favoriser les courtes longueurs de fibre et les faibles puissances crêtes. - d'autre part il doit présenter un gain plat sur plusieurs dizaines de nanomètres, centré autour de 1590 nm. Cette caractéristique nécessite, pour les amplificateurs à fibre dopée Er ou codopée Er-Yb, une faible inversion de population moyenne dans la fibre, et donc une grande longueur de fibre pour avoir un gain suffisant. io La section de fibre optique amplificatrice 7 de l'étage de puissance peut être pompée directement dans le coeur dopé par un laser monomode, et non à travers la gaine. Ce pompage dans le coeur permet de réduire la puissance nécessaire pour saturer l'absorption de la pompe. D'autre part, au lieu d'utiliser classiquement des diodes lasers dont les longueurs d'onde de 15 pompe sont de 980 nm ou 1480 nm, la longueur d'onde À de la pompe 8 de la section de fibre d'amplification de puissance est choisie pour être comprise entre 1530 et 1565 nm. Cette longueur d'onde de pompe À permet avantageusement de fixer l'inversion de population à une valeur constante le long de la fibre. Cette longueur d'onde de pompe À proche de la longueur 20 d'onde d'émission permet également de réduire le bruit d'émission spontanée amplifiée de longueur d'onde inférieure à la longueur d'onde de pompe À ainsi que d'augmenter sensiblement le rendement énergétique entre pompe et signal. Une pompe fonctionnant à une longueur d'onde À proche de 1550 nm 25 peut être réalisée au moyen d'un laser à fibre co-dopée Er-Yb. Il est apparu que le pompage de l'étage ampificateur de puissance dans la bande 1530 - 1565 nm présente l'avantage majeur de fixer l'inversion de population à une valeur constante le long de la fibre. En effet, pour une longueur de fibre suffisante un pompage à 1480 ou 980 nm permet également 30 d'obtenir une courbe de gain spectral similaire en sortie de fibre. Toutefois dans ces cas, la dépendance spectrale du gain varie beaucoup le long de la fibre, avec un maximum se déplaçant des basses vers les hautes longueurs d'onde. Ceci entraine un gain fort en début de fibre, puis un filtrage progressif des courtes longueurs d'onde. Le résultat est que la puissance crête intégrée sur la longueur de la fibre, qui détermine l'intégrale B responsable des effets non linéaires, est trois fois plus grande pour un pompage à 1480 ou 980 nm que dans le cas du pompage à 1550 nm. La figure 2 représente deux courbes de puissance du signal de sortie en fonction de la longueur LF de la section de fibre optique 7 amplificatrice de puissance respectivement pour une longueur d'onde de pompe X1 classique de 1480 nm. et pour une longueur d'onde de io pompe Xp conformément à l'invention de 1550 nm. Cette figure 2 montre tout l'intérêt de pomper l'étage amplificateur de puissance à une longueur d'onde - 1550 nm pour minimiser les effets non linéaires. Pour une longueur LF d'environ 10 m. on obtient une puissance de sortie équivalente sur les deux courbes, mais l'intégrale B de la courbe correspondant à une longueur d'onde 15 de pompe X1 de 1550 nm apparaît visiblement très inférieure à celle de la courbe correspondant à une longueur d'onde de pompe Xp de 1480 nm. L'autre avantage notable du pompage à environ 1550 nm est la relative insensibilité de la forme de la courbe de gain spectral aux variations de puissance de pompe et de longueur de fibre, ce qui contribue à la robustesse 20 du système et permet d'ajuster facilement l'énergie des impulsions sans changer leurs caractéristiques spectrales, comme illustré en figure 3. La figure 3 représente des courbes de gain spectral (a) obtenues respectivement pour différentes longueurs LF de section de fibre optique 7 amplificatrice de puissance puissance et pour différentes longueur d'onde de pompe À p. Les 25 courbes de gain spectral (a) à une longueur d'onde de pompe Xp de 1550 nm sont plates ou quasi-plates sur une large plage spectrale et leur niveau augmente en fonction de la longueur LF de la fibre amplificatrice 7, contrairement aux courbes de gain spectral pour une longueur d'onde de pompe Xp de 1480 nm. Selon un mode de réalisation préféré, la section de 30 fibre optique amplificatrice 7 est une fibre optique à grande aire effective. D'autres caractéristiques de l'invention permettent de réduire les effets non linéaires pour atteindre les performances reportées dans le tableau 1. Oscillateur Pulse Etireur Pré- Amplificateur Compresseur picker amplificateurs de puissance Energie -2 nJ -1 nJ -500 pJ 10-20 nJ 200nJ-200 pJ 100nJ - 100 �J Cadence -50 MHz 10-1000 10-1000 10-1000 kHz 10-1000 kHz 10-1000 kHz kHz kHz Puissance -100 mW 10-1000 5-500 0.1-20 mW 2mW-200W 1 mw -100 W moyenne �W �W Puissance -20 kW -10 kW -1 W 20-40 W 400W-400 kW 50 kW - 1 crête GW Durée des -100 fs -100 fs -500 ps -500 ps 500 ps 100-2000 fs impulsions Tab. 1 : Gammes de fonctionnement du laser en sortie de divers composants On obtient un laser 10 permettant de générer des impulsions laser 20 sub-picoseconde d'énergie comprise entre 100 nJ et 100 11J par impulsions et dont la longueur d'onde est située entre 1565 et 1625 nm. Les caractéristiques du laser de l'invention permettent d'atteindre les io performances suivantes : cadence comprise entre 10 kHz et 1 MHz, énergie par impulsion de 100 nJ à 100 �J, durée d'impulsion comprise entre 100 fs et 2 ps. Les performances nominales sont des impulsions de 500 fs, dont l'énergie par pulse est de 5 �J, à une fréquence de répétition de 300 kHz. Le laser à impulsions courtes de l'invention est destiné à être intégré 15 dans un système de chirurgie de l'oeil adapté à la découpe des cornées en profondeur, notamment pathologiques, pour la réalisation de greffes totales ou partielles. Ce laser 10 est essentiellement basé sur la technologie des fibres optiques, à l'exception du compresseur final. Les amplificateurs à fibre sont basés sur la technologie erbium. Ce laser 10 émet dans la gamme de 20 longueur d'onde de 1570 nm à 1610 nm, l'optimum étant 1590 nm afin de bénéficier d'une fenêtre de transparence de la cornée tout en minimisant l'impact de la forte diffusion optique des tissus pathologiques. On obtient un laser sub-picoseconde à la longueur d'onde de 1590 nm (�20 nm) adaptée à la découpe rapide de cornées en profondeur. Ce laser est particulièrement adapté aux cornées pathologiques qui sont généralement diffusantes. La longueur d'onde élevée du rayonnement permet d'atteindre une zone profonde (1 mm) de la cornée à découper en subissant peu de diffusion. Les impulsions générées ont une durée inférieure à 1 ps et une énergie comprise entre 100 nJ et 100 �J, ce qui correspond à un régime de io découpe athermique. Le laser a un taux de répétition suffisant (-100 kHz) pour réaliser la découpe rapidement. Les éléments constituant le laser de l'invention sont essentiellement à base de fibre optique, ce qui rend le dispositif robuste, et permet de l'intégrer facilement dans un environnement médical. Dans l'exemple de réalisation de 15 l'invention, la longueur LF de fibre optique nécessaire à l'amplification de puissance est de l'ordre de quelques mètres à une dizaine de mètres. Malgré cette longueur le laser de l'invention permet de limiter les effets non linéaires dans la fibre amplificatrice de puissance. Une première application du laser impulsionnel sub-picoseconde, haute 20 énergie et bande L de l'invention concerne un outil laser de chirurgie ophtalmique pour la découpe profonde de cornée dans l'oeil humain ou animal. Le laser de l'invention permet une découpe rapide et de bonne qualité de la cornée d'un patient pour un traitement de cette cornée ou pour une 25 greffe de cornée. L'amélioration de la qualité de découpe permet d'une part de retirer plus facilement la cornée à traiter ou à remplacer et d'autre part permet une réimplantation de la nouvelle cornée et une cicatrisation de meilleure qualité avec moins de complication après le traitement ou la greffe. Une autre application de l'invention en chirurgie ophtalmique est un 30 laser pour le traitement du glaucome. REVENDICATIONS1. Laser impulsionnel (10) à fibre optique et à dérive de fréquence pour l'amplification d'impulsions sub-picoseconde de bonne qualité spatiale et de forte énergie comprenant : - un oscillateur (1) apte à émettre des impulsions lumineuses (11) de durée sub-picoseconde et dont la longueur d'onde d'émission est comprise entre 1565 et 1625 nm ; - un étireur à fibre (3) apte à étirer temporellement les impulsions lumineuses (11) ; - un ou plusieurs étages de pré-amplification comprenant chacun une io section de fibre optique (4) dopée Erbium ou co-dopée Erbium-Ytterbium et une pompe (6) apte à pomper optiquement la section de fibre optique (4) de pré-amplification ; - au moins un réducteur de cadence (2) apte à réduire le taux de répétition des impulsions laser de sortie (20) entre 10kHz et 1 MHz ; 15 - un étage d'amplification de puissance comprenant une section de fibre optique (7) dopée Erbium ou co-dopée Erbium-Ytterbium et une pompe (8) apte à pomper optiquement la section de fibre optique (7) amplificatrice de puissance, ledit étage d'amplification de puissance étant apte à produire des impulsions amplifiées (17) ; 20 - un compresseur (9) apte recomprimer temporellement les impulsions lumineuses amplifiées (17) en des impulsions laser de sortie (20) ; caractérisée en ce que : - ladite pompe (8) de la fibre optique (7) amplificatrice de puissance est apte à générer au moins une longueur d'onde de pompe Xp comprise entre 25 1530 et 1565 nm de manière à obtenir des impulsions de sortie (20) dont la longueur d'onde d'émission est comprise entre 1565 et 1625 nm et dont l'énergie est comprise entre 100 nJ et 100 �J. 2. Laser impulsionnel (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de fibre optique (7) de l'étage d'amplification de puissance est une fibre à large coeur (LMA large mode area). 3. Laser impulsionnel selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le faisceau en sortie est de bonne qualité spatiale, de coefficient M2 inférieur à 1,5. 4. Laser impulsionnel selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pompe (8) de l'amplificateur de puissance est un laser à fibre optique dopée erbium ou co-dopée erbium-ytterbium. io 5. Laser impulsionnel selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pompe (8) de l'amplificateur de puissance est couplée directement dans le coeur dopé de la de la fibre optique (7) amplificatrice de puissance. 6. Laser impulsionnel selon l'une des revendications 1 à 5, 15 caractérisé en ce que la pompe (8) de l'amplificateur de puissance est apte à pomper la section de fibre optique (7) de l'amplificateur de puissance de manière co propagative et/ou contra-propagative. 7. Laser impulsionnel selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pompe (8) de l'amplificateur de puissance est apte à 20 générer au moins une seconde longueur d'onde de pompe comprise entre 1530 nm et 1565 nm. 8. Laser impulsionnel selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde Xp de la pompe (8) de l'amplificateur de puissance est ajustable de manière à optimiser spectralement et 25 temporellement les impulsions de sortie. 9. Outil laser pour chirurgie ophtalmique comprenant un laser impulsionnel à fibre optique selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Outil laser selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'énergie des impulsions laser (20) est supérieure à 100 nJ.