LIVRE BLANC : L'utilisation du niobate µm lithium à polarisation périodique (PPLN) dans les lasers médicaux

L'utilisation des lasers en médecine

Le site web de la FDA (Food and Drug Administration) indique que : « Les lasers médicaux sont des dispositifs médicaux qui utilisent des sources lumineuses focalisées avec précision pour traiter ou retirer des tissus. » ^¹ Ces dernières années, les lasers ont été utilisés pour le diagnostic et le traitement d’un nombre croissant µm affections médicales. Les recherches menées en continu sur les thérapies laser par les institutions médicales et les entreprises commerciales permettent de développer des alternatives novatrices, efficaces et mieux tolérées par les patients, en remplacement des approches thérapeutiques traditionnelles. Par ailleurs, les tests de pathologie devraient être révolutionnés par les puces miniatures photoniques d’ici 10 à 15 ans.

Selon un rapport de 2022 publié par Research and Markets, le marché mondial des lasers médicaux a atteint une valeur de 3,70 milliards de dollars américains en 2021 et devrait atteindre 7,01 milliards de dollars américains d'ici 2027. ² L'augmentation de la valeur de ce secteur cto en évidence les nouveaux traitements et les affections médicales traités avec succès et à moindre coût grâce aux technologies laser.

Au Royaume-Uni, le NHS emploie actuellement 25 000 personnes dans des laboratoires d’anatomopathologie, tous équipés d’ µm photoniques pour l’analyse d’échantillons de patients. Ce service coûte au NHS 2 milliards de dollars américains par an, soit l’équivalent de 4 % de son budget.³

Affections médicales diagnostiquées et traitées par laser

Les lasers peuvent être utilisés pour toute une gamme d'interventions médicales, car le faisceau lui-même est si petit et précis qu'il permet aux chirurgiens de traiter les tissus de manière sûre et efficace sans endommager la zone environnante.

Les dermatologues esthétiques utilisent les lasers pour l'élimination ou le traitement efficace des tatouages, cicatrices, vergetures, taches solaires, rides, taches de naissance, varicosités et poils indésirables. Plus récemment, d'autres spécialistes du domaine cosmétique ont également adopté l'utilisation des lasers, notamment pour le blanchiment dentaire.

En dehors du marché cosmétique, les lasers sont utilisés pour un éventail de plus en plus large de traitements médicaux. Les ophtalmologistes utilisent les lasers en chirurgie oculaire depuis la fin des années 1980, se servant de cette technologie pour traiter diverses affections, notamment les troubles de la réfraction, l'opacité capsulaire postérieure, le glaucome, la rétinopathie diabétique et les déchirures rétiniennes. D'autres spécialités chirurgicales utilisent également avec succès les lasers pour faciliter le traitement de certaines maladies ; les tumeurs de la µm , les calculs rénaux et l'ablation de la prostate sont ainsi pratiqués couramment au laser.

Les traitements laser présentent de µm avantages par rapport aux techniques chirurgicales traditionnelles. Ils comportent les mêmes risques que la chirurgie ouverte (douleur, saignements et cicatrices), mais le temps de convalescence du patient, et donc les coûts hospitaliers post-opératoires, sont considérablement réduits. De plus, le faisceau laser ne présente aucun risque pour la santé du patient ou de l'équipe médicale, contrairement à d'autres traitements comme la radiothérapie.

L'avenir des lasers en médecine

Face au vieillissement et à l'augmentation de la population dans de nombreux pays, les laboratoires d'analyses médicales centralisés traditionnels sont devenus inabordables et non viables. On prévoit que d'ici 2035, grâce aux progrès de la photonique intégrée, des tests au chevet du patient pourront être effectués directement chez le médecin généraliste ou au cabinet du patient à l'aide de puces miniatures. On estime déjà que le marché des tests au chevet du patient atteindra 31 milliards de dollars américains d'ici 2025, réduisant ainsi d'un quart les besoins en analyses de laboratoire.⁴

L'utilisation des lasers en médecine offre une multitude d'autres applications potentielles pour l'avenir, par exemple l'utilisation de la spectroscopie pour surveiller la glycémie, l'irradiation très localisée pour les traitements du cancer activés par la lumière via une chirurgie mini-invasive, parmi un vaste éventail d'autres diagnostics et traitements actuellement utilisés ou en cours d'essais cliniques.^{5, 6}

S'assurer que ces pionniers des soins de santé disposent des longueurs d'onde et autres propriétés de la lumière laser appropriées pour répondre au développement continu des applications médicales est un axe de recherche important pour les fabricants de lasers et d'équipements médicaux.

Ingénierie de la longueur d'onde à l'aide de cristaux optiques non linéaires

Les cristaux optiques non linéaires (NLO) offrent une solution extrêmement flexible pour générer de nouvelles longueurs d'onde à partir de sources laser existantes et disponibles dans le commerce. Bien qu'il existe une grande variété de sources laser commerciales couvrant le spectre optique étendu (jusqu'au µm il n'est pas toujours possible de trouver une source de lumière directe et économique pour toutes les applications. C'est précisément dans ces cas,
où une source directe et pratique n'est pas disponible, que la conversion de longueur d'onde à l'aide de cristaux optiques non linéaires à haut rendement constitue une solution performante.

En matière de matériaux optiques non linéaires et cristallins, le niobate de lithium µm (LiNbO3) est particulièrement intéressant grâce à son coefficient non linéaire très élevé  . Avec son rendement élevé, sa polarisation périodique et sa large transmission optique, le niobate de lithium µm (MgO:PPLN) constitue une solution très flexible pour la génération de longueurs d'onde de 400 nm à 5 µm.

Exemples de longueurs d'onde requises pour les applications médicales

Les lasers sont plus utilisés en ophtalmologie que dans toute autre spécialité médicale. La transparence de l' µm permet de cibler les structures intraoculaires sans endoscopie ni intervention chirurgicale. Parmi les longueurs d'onde d'intérêt, on trouve celle de 689 nm, utilisée en thérapie photodynamique (PDT). La PDT est un traitement qui utilise des médicaments photosensibles et une source lumineuse pour détruire les cellules anormales. Elle est utilisée pour traiter la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA)^⁷. La lumière laser à 810 nm est utilisée en thermothérapie transpupillaire (TTT), le traitement laser le plus courant pour le mélanome oculaire. La TTT utilise la lumière infrarouge pour chauffer et détruire les cellules cancéreuses µm ⁸ </sup>.

La cytométrie en flux est une méthode largement utilisée en recherche biomédicale et de plus en plus en diagnostic clinique.^⁹ C'est une technique puissante et rapide permettant d'analyser les propriétés physico-chimiques de cellules ou de particules individuelles en suspension dans un liquide et traversant un faisceau laser. La fluorescence, combinée à la lumière laser diffusée, est ensuite filtrée, détectée et analysée. Outre l'analyse, de nombreux cytomètres en flux peuvent également trier et purifier des populations cellulaires d'intérêt pour des analyses ultérieures, en fonction des propriétés identifiées des cellules ou des particules. Les lasers sont exclusivement utilisés en cytométrie en flux en raison de leur puissance, de leur uniformité et de leur focalisation à l' µm . Plusieurs longueurs d'onde laser monochromatiques offrent des possibilités de détection multiparamétrique grâce à l'utilisation de nombreux marqueurs fluorescents différents. Les anticorps les plus couramment utilisés en biosciences présentent une fluorescence aux longueurs d'onde suivantes : 405, 445, 488, 532, 561, 633, 640, 660 et 810 nm.^¹⁰

Dans ces deux exemples, les longueurs d'onde d'intérêt couvrent les régions visible et proche infrarouge du spectre optique µm . La conversion non linéaire de longueur d'onde constitue une méthode efficace pour générer des longueurs d'onde visibles à partir de sources laser infrarouges et peut donc être utilisée pour combler les lacunes de longueurs d'onde existant entre les sources laser directes.

Génération de longueurs d'onde visibles

Les longueurs d'onde couvrant le domaine visible du spectre optique (de l'ordre µm peuvent être générées par génération de seconde harmonique (GSH), ou génération de fréquence ( µm ). En choisissant judicieusement les lasers (de l'ordre du µm ), on peut obtenir une longueur d'onde fixe ou accordable.

La génération de seconde harmonique (GSH), ou doublage de fréquence, est le processus non linéaire du second ordre le plus couramment utilisé. Dans la GSH, deux photons incidents de longueur d'onde λ_{µm et de même longueur d'onde λ} sont combinés par un processus non linéaire pour générer un troisième photon à la fréquence λ<sub> _SHG , où λ _SHG = λ_{_P} /2 (ou, en termes de fréquence, f_{_SHG} = 2f_{_P} ).

Les cristaux MgO:PPLN SHG peuvent être fabriqués pour fonctionner avec une large gamme de longueurs d'onde laser p µm p disponibles dans le commerce, de 976 nm à 2100 nm, permettant la génération de lumière à fréquence doublée entre 488 nm et 1050 nm.

Exemple : La génération de second harmonique (SHG) à haut rendement de lumière de 1064 nm utilisant PPLN peut générer de la lumière de 532 nm à des niveaux de puissance en watts adaptés au traitement de la peau, notamment l'élimination des taches de vin, des taches de naissance, des mélanomes, le détatouage et l'épilation.

SFG µm combine deux photons incidents de longueurs d'onde λ_{_P} et λ _{_S} pour générer un photon de sortie à la longueur d'onde λ _SFG</sub> , où λ _{_SFG = (1/λ _P} + 1/λ _{_S} )^-1 (ou, en termes de fréquence, f _{_SHG} = f _{_P} + f_{_S} µm fixe (par exemple 1550 nm) et accordable (par exemple 780/810 nm) facilement disponibles, les cristaux SFG MgO:PPLN peuvent fournir une lumière de sortie accordable entre 500 et 700 nm.

Exemple : La SFG à haut rendement utilisant PPLN peut combiner des sources accordables de 1560 nm et des sources fixes de 1064 nm pour générer une lumière autour de 633 nm à utiliser en cytométrie de flux.

Facilité d'utilisation

Le MgO:PPLN peut être facilement fabriqué sous diverses formes, du cristal massif au guide d'ondes, offrant ainsi une large gamme d'applications et une efficacité de conversion accrue. Les puces de conversion de longueur d'onde, qu'elles soient sous forme de cristal massif ou de guide d'ondes, peuvent ensuite être facilement encapsulées avec des entrées et sorties à fibre optique, pour une utilisation simplifiée. L'association d'un boîtier à fibre optique et d'un régulateur de température de haute précision constitue une solution de conversion de longueur d'onde prête à l'emploi, utilisable en laboratoire ou intégrée chez un fabricant d'équipement d'origine (OEM).

S µm mary

En conclusion, l'utilisation du PPLN offre une solution pratique pour la génération d'une large gamme de longueurs d'onde importantes pour les applications médicales. Elle constitue une alternative aux sources laser existantes, coûteuses, et permet d'obtenir des longueurs d'onde difficilement accessibles par des sources laser directes. Ce matériau à haut rendement peut être conditionné en composants prêts à être intégrés dans les lasers et équipements médicaux des fabricants d'équipement d'origine (OEM).

En tant que fournisseur leader de produits de conversion de longueur d'onde basés sur la technologie PPLN, Covesion propose des conseils personnalisés et un support technique pour l'installation, l'utilisation et l'optimisation de ces produits. Grâce à un vaste catalogue de produits COTS et à ses capacités de conception sur mesure, Covesion est idéalement positionnée pour répondre aux besoins d'une large gamme d'applications de conversion de longueur d'onde.

Références

1. https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/surgical-and-therapeutic-products/medical-lasers
2. https://www.researchandmarkets.com/reports/5615173/medical-lasers-market-global-industry-trends?gclid=EAIaIQobCh MI9Nztl9nW_gIVieDtCh2HAQ13EAAYAiAAEgIYnPD
3. https://photonicsuk.org/wp-content/uploads/2021/10/Photonics_2035_Vision_Web_1.0.pdf
4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7349820/
5. https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2146
6. M. Houe et al., J. Phys. D Appl. Phys., 28 : 1747–1763, 1995
7. Thérapie photodynamique pour la dégénérescence maculaire liée à l'âge | Johns Hopkins Medicine
8. B. Faisting et al., Applications des lasers médicaux, vol. µm e 25, n° 4, novembre 2010, pages 214-222
9. Fonctionnement d'un cytomètre de flux | Thermo Fisher Scientific – Royaume-Uni
10. Les tendances actuelles en matière de lasers pour la cytométrie en flux appellent à de nouvelles longueurs d'onde | Laser Focus World