Des techniques médicales aux industries Les débuts palpitants du laser guidé par jet d'eau

de Auteur : Nitin Shankar. Traduction : Marina Hofstetter

Bernold Richerzhagen, chargé de projet, imagina l’utilisation combinée de l’eau et du laser lors du développement d’un outil de dentisterie. Cet outil était basé sur un jet d’eau à basse pression aussi fin qu'un cheveu qui guidait le faisceau laser par réflexion totale, comme dans une fibre optique. Cette fusion de la lumière et de l'eau aboutit finalement à une nouvelle technologie permettant de travailler des matériaux durs avec une grande précision.

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Figure 5 : appareil dentaire manuel refroidi à l'eau.
Figure 5 : appareil dentaire manuel refroidi à l'eau.
(Source : Synova)

Bernold Richerzhagen obtint un master en génie mécanique avec une spécialisation en techniques médicales à l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle, qu'il termina par une étude sur le développement d'un cœur artificiel. Un an plus tard, dans le cadre de sa thèse de doctorat, il participa à un projet de recherche du laboratoire d'optique appliquée de l'EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) portant sur le développement d'un outil dentaire basé sur l’utilisation d’un laser. L'objectif était de développer un système de transfert d'énergie laser pour des applications dentaires telles que l'élimination des caries.

Malgré l'échec des travaux préliminaires, M. Richerzhagen décida d'expérimenter une nouvelle approche pour transmettre l'énergie laser et refroidir simultanément la dent pendant le perçage au laser. Il prévoyait de diriger le faisceau laser par réflexion totale dans un jet d'eau, à la manière d'une fibre optique. Le laser fournirait la chaleur nécessaire à l'ablation, tandis que l'eau refroidirait la dent. Un laser guidé par un jet d'eau offrirait ainsi un refroidissement simultané au traitement par laser afin que la dent ne soit pas endommagée par la chaleur.

Le concept de M. Richerzhagen était basé sur le passage d'un faisceau laser à travers une chambre d'eau sous pression, puis sa focalisation au niveau d’une buse (voir figure 1). Ses calculs montrèrent qu'il était possible de focaliser un faisceau laser à l’entrée d’une buse sans autre perte que l'absorption naturelle dans l'eau. Le jet d'eau à basse pression sortant de la buse dirigerait le faisceau laser par réflexion totale et ce laser guidé par l'eau entrerait en action sur la dent.

Figure 1 : principe du laser guidé par jet d'eau (Laser MicroJet).
Figure 1 : principe du laser guidé par jet d'eau (Laser MicroJet).
(Source : Synova)

M. Richerzhagen dût alors relever deux défis. Le premier consistait à transférer l'énergie d'une source laser à l'appareil manuel du dentiste. Le second, bien plus important, était de développer une unité de couplage qui permette d’intégrer le faisceau laser dans un jet d'eau.

La première unité de couplage de M. Richerzhagen consistait en une chambre à eau fermée avec une fenêtre d'un côté et une buse de l'autre. Le faisceau laser devait traverser la fenêtre et l'eau et être focalisé à l'entrée de la buse, afin de sortir sous la forme d’un faisceau laser enveloppé par un jet d’eau (voir figure 2). Cette unité de couplage donna cependant des résultats mitigés. Selon les calculs, le faisceau laser devait traverser la buse, or les impulsions laser l’endommagèrent. Le faisceau avait donc été dé-focalisé.

Figure 2 : unité de couplage initiale.
Figure 2 : unité de couplage initiale.
(Source : Synova)

Alors confronté à ce problème de buses endommagées, M. Richerzhagen se pencha de nouveau sur le couplage. Afin d’être entièrement réfléchi, comme dans une fibre optique, le faisceau devait atteindre l’interface eau/air avec un certain angle critique. Cette réflexion interne totale était donc étroitement liée au phénomène de réfraction qui apparaissait à l’interface eau/air. Il s'agissait alors en priorité de déterminer les facteurs extérieurs qui empêchaient la focalisation sans perte du faisceau laser dans la buse. L'étude visant à résoudre ce problème prit des années et conduisit à plusieurs découvertes intéressantes.

Dé-focalisation thermique

La première expérience de M. Richerzhagen consista à mesurer la manière dont l'eau absorbait l'énergie d'une impulsion laser. Cette expérience prouva que l'eau absorbait une partie de l'énergie de chaque impulsion laser. Cette énergie, convertie en chaleur, augmentait la température de l’eau et modifiait alors son indice de réfraction, entraînant le déplacement du point focal du faisceau laser. L’énergie se trouvant alors en dehors du trajet théorique du faisceau atteignait le corps de la buse au lieu du point d’entrée et l’endommageait (voir figure 3).

Figure 3 : trajectoire du faisceau dé-focalisé.
Figure 3 : trajectoire du faisceau dé-focalisé.
(Source : Synova)

L'étape suivante fût la mesure des effets de la dé-focalisation thermique sur le profil du faisceau laser. M. Richerzhagen conçut un dispositif expérimental composé d’une optique et d’une caméra à haute vitesse pour enregistrer la variation de la taille du faisceau laser au début et à la fin d'une impulsion laser de 200 microsecondes pendant qu'elle traversait une chambre à eau. Les résultats montrèrent que le diamètre du faisceau laser, inférieur à 0,2 millimètre au début, doublait pour atteindre 0,4 millimètre à la fin de l'impulsion laser. C'était bien la preuve que la dé-focalisation thermique modifiait le profil du faisceau laser.

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M. Richerzhagen décida alors de mesurer la modification de l'indice de réfraction de l'eau en fonction de sa température. Cette découverte lui permettrait de prendre les mesures nécessaires à l’élimination de l'effet de dé-focalisation thermique. Il constata que les données quantitatives existantes n'étaient pas suffisantes pour ses objectifs. Il devait mesurer cette relation dans un environnement de laboratoire contrôlé à l'aide d'un laser de 1064 nm. L'objectif était d'obtenir des données précises, nécessaires à une simulation théorique. M. Richerzhagen conçut un montage utilisant l'interférométrie optique. Après avoir chauffé l'eau dans un récipient en verre à une certaine température, il fallait attendre une heure pour que la température de l'eau se stabilise. Un miroir placé dans l'eau était déplacé d'une certaine longueur afin de mesurer la variation des signaux d'interférence. Les mesures furent effectuées pour des températures d'eau allant de 20 °C à 60 °C afin d'enregistrer l'indice de réfraction pour chaque degré de température. Les données furent publiées en 1996 dans la revue « Applied Physics » et dans le « Handbook of Chemistry and Physics ».

Par la suite, M. Richerzhagen voulut confirmer les résultats de ses mesures expérimentales par des simulations numériques. Pour simplifier, sa simulation était basée sur un faisceau laser traversant un réseau d'éléments finis et dont le trajet était influencé par différents indices de réfraction dans les directions axiale et radiale. Les résultats théoriques de la simulation de M. Richerzhagen correspondaient très bien à ceux qu'il avait obtenus lors de ses expériences pratiques précédentes. Les résultats furent publiés dans la revue « Applied Physics » et dans la revue « Optical Engineering » en 1996.

Bien que ses recherches fussent révolutionnaires, M. Richerzhagen continua à se concentrer sur son objectif de développer une unité de couplage qui n'endommage pas les buses.

Unité de couplage améliorée

Pour trouver la solution qui permettrait de stabiliser la température de l'eau au passage d'une impulsion laser, M. Richerzhagen se pencha sur la théorie des fluides. Il savait que l'eau se trouvait dans un état quasi-stationnaire. L’eau en écoulement laminaire s'écoulait sans se mélanger latéralement, les couches voisines glissaient les unes sur les autres comme des cartes à jouer. Or à faible vitesse, c’était également cet état qui conduisait à l’effet de lentille thermique qui influençait le faisceau laser. M. Richerzhagen conçu donc une nouvelle chambre à eau qui garantissait un écoulement laminaire à grande vitesse. Cela permit d’obtenir un écoulement homogène sur le trajet du laser. Cette avancée décisive fût réalisée en analysant précisément les propriétés de l'écoulement sur la buse et en les influençant de manière ciblée. Cette modification conceptuelle permit d'obtenir une chambre très étroite assurant le maintien de la température de l'eau à un faible niveau lorsque l'impulsion laser la traversait. L'eau s'écoulait sans turbulence dans la chambre et à travers la buse. Le faisceau laser, focalisé directement au niveau de la buse, se retrouvait alors couplé avec le jet d'eau en sortie de buse (voir figure 4).

Figure 4 : schéma de l'unité de couplage améliorée.
Figure 4 : schéma de l'unité de couplage améliorée.
(Source : Synova)

Avec cette conception améliorée de l'unité de couplage, M. Richerzhagen démontra pour la première fois en 1993 la faisabilité d'un laser guidé par jet d'eau pour l'ablation de matière, et cette conception fût utilisée pour un appareil dentaire portatif (voir figure 5). La réussite de ce projet d’outil de dentisterie constitua la base permettant à M. Richerzhagen d'achever sa thèse de doctorat en mai 1994.

Figure 5 : appareil dentaire manuel refroidi à l'eau.
Figure 5 : appareil dentaire manuel refroidi à l'eau.
(Source : Synova)

Des techniques médicales aux autres industries

Alors qu'il travaillait sur son projet de doctorat, M. Richerzhagen a déposé un brevet allemand en 1994 et un brevet européen en 1995. En 1997, M. Richerzhagen a fondé Synova SA pour fabriquer des machines de découpe laser utilisant sa technologie brevetée de laser guidé par jet d'eau. Il est parvenu à appliquer cette technologie dans de nombreux secteurs industriels. Depuis sa création, Synova SA a livré plus de 400 machines dans le monde entier pour différents secteurs industriels, de l'automobile à l'aéronautique en passant par les diamants et les semi-conducteurs.

M. Richerzhagen a posé les bases d'une technologie d'usinage qui est de plus en plus utilisée dans de nombreux secteurs industriels. Il s'agit de la seule technologie permettant d'usiner de manière économique des composants CMC (composites à matrice céramique) pour l'industrie aéronautique. Des instituts de recherche de premier plan dans le monde entier s'intéressent à cette technologie et à ses applications potentielles. L'avenir s'annonce donc très prometteur pour le développement de cette technologie. MSM

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