Mon projet de thèse se déroule dans le cadre du projet ANR TecSan 2006 GRECO (GREffe de COrnée automatisée par laser femtoseconde avec optimisation de la longueur d'onde et correction du front d'onde, ANR-06-TecSan-025) piloté par notre groupe. Ce projet de 3 ans a été proposé suite au succès de l'utilisation des lasers à impulsions ultra-rapides dans la chirurgie réfractive et à la volonté d'étendre cette technologie à la greffe. La plupart des indications de greffe sont associées à une qualité optique de la cornée du patient insuffisante, ce qui rend difficile l'intervention par laser. Comme nos recherches l'ont démontré, la forte diffusion optique des cornées pathologiques aux longueurs d'onde actuellement utilisées peut être compensée par une augmentation de la longueur d'onde des lasers vers 1,65 µm. Nos partenaires sont l'hôpital Hôtel-Dieu de Paris, la société Imagine Eyes et l'Institut d'Optique Graduate School. *** Objectifs de la thèse *** Les principaux objectifs de mon projet étaient les suivants : - Le développement de sources lasers optimisées pour la greffe de cornée basées sur la conversion de longueurs d'onde par optique non-linéaire ; - L'étude de l'interaction laser-tissu en vue d'une optimisation des paramètres laser ; - La conception et la mise en place d'un système démonstrateur pour la chirurgie laser. *** Présentation des principaux résultats obtenus *** (1) Source accordable par Amplification Paramétrique Optique (OPA) Dans un premier temps, le plan de travail du projet GRECO prévoyait le montage d'une source flexible et accordable basée sur un laser titane:saphire disponible au laboratoire. Nous avons choisi une architecture originale de type OPA, composée de deux étages d'amplification (basés sur deux cristaux de caractéristiques différentes) avec injection d'un supercontinuum de lumière blanche. Le premier étage assure une bonne sélectivité en longueur d'onde et le deuxième étage fournit un fort gain notamment au double de la longueur d'onde de pompe. Les efficacités de conversion sur l'ensemble du système atteignent 20 % quelque soit la longueur d'onde amplifiée. Le système fournit des impulsions de 300 µJ accordables entre 1,2 µm et 1,75 µm pour le signal. Cette source a servi pour toutes les expériences chirurgicales exploratoires de la première moitié du projet GRECO. (2) Source accordable par Génération Paramétrique Optique (OPG) En parallèle des expériences chirurgicales sur l'interaction laser-tissu, une deuxième source, plus compacte et potentiellement adaptée à un contexte clinique, a été développée. Cette deuxième source est pompée par un laser industriel également compact et stable, et émettant à 1,03 µm. Cette longueur d'onde est convertie par génération paramétrique optique dans un seul cristal nonlinéaire périodiquement polarisé ne nécessitant aucune injection. Dans un premier temps, l'ajustement de la longueur d'onde du signal amplifié se fait par simple changement de la température du cristal sans nécessiter d'alignement, ce qui contribue à la robustesse du système. Un seul passage permet une efficacité de conversion d'environ 20 %, et un maximum d'énergie de 20 µJ ce qui correspond à une amélioration d'un facteur 100 par rapport à l'état de l'art. L'utilisation de plusieurs structures périodiques juxtaposées permet d'obtenir une accordabilitée totale entre 1450 nm et 1900 nm qui couvre donc les bandes d'absorption et notamment de transparence des tissus du segment antérieur. (3) Résultats chirurgicaux sur la cornée et la sclère Nos expériences chirurgicales ont été effectuées sur des cornées obtenues auprès de la Banque Française des Yeux. Nous avons réalisé une étude systématique de la profondeur de pénétration et de la qualité du résultat chirurgical en fonction de la longueur d'onde et de l'état pathologique de la cornée. En parallèle, des mesures systématiques de transparence cornéenne en fonction de la présence et du degré d'œdème ont été menées. Les mesures de transparence puis les expériences chirurgicales utilisant l'OPA ou l'OPG ont mis en évidence une forte dépendance entre profondeur de pénétration et longueur d'onde. - L'utilisation des longueurs d'onde autour de 1 µm correspondant aux systèmes cliniques actuels se heurte à une profondeur de pénétration très limitée dans des cornées œdémateuses. Ce constat est en accord avec l'expérience de nos partenaires cliniques qui estiment également que les performances des systèmes actuels sont limitées pour une application à la greffe de cornée. - L'augmentation de la longueur d'onde limite la contribution des processus de diffusion de la lumière. Néanmoins, la bande d'absorption de l'eau centrée à 1,45 µm augmente la contribution des effets thermiques. L'utilisation de longueurs d'onde proches de cette bande n'est donc pas réaliste. - Il existe une fenêtre de relative transparence optique centrée à 1,65 µm au sein de laquelle l'absorption est faible et la contribution de la diffusion de la lumière est quasi négligeable. Dans l'absolu, nous avons pu constater une amélioration d'environ un facteur 3 par rapport aux lasers cliniques travaillant aux longueurs d'onde autour de 1 µm. La qualité des incisions est excellente et la validité des hypothèses de travail du projet GRECO a pu être vérifiée. (4) Le dispositif démonstrateur pour la greffe de cornée automatisée et de géométrie complexe. Le programme de travail du projet GRECO prévoyait le montage d'un système démonstrateur regroupant les éléments d'un système de greffe de cornée. Le démonstrateur est composé de trois parties modulables. La première unité contient le laser qui peut être soit un laser fibré centré à 1590 nm développé par l'Institut d'Optique Graduate School soit le système laser accordable par OPG qui a été développée au cours de la présente thèse. La deuxième unité contient un module d'optique adaptative qui corrige la qualité du front d'onde du faisceau laser. La troisième unité permet la délivrance du faisceau en 3 dimensions dans le volume de la cornée. Le tout est piloté automatiquement à travers une interface ordinateur basée sur le logiciel LabView développé au cours de la présente thèse. *** Conclusion *** Durant mon doctorat, j'ai développé deux sources nonlinéaires performantes et innovantes basées respectivement sur le principe de l'amplification et de la génération paramétrique optique. Les performances notamment de la deuxième source sont largement supérieures à l'état d'art et nous ont permis d'anticiper un jalon d'un deuxième projet ANR. Elle respecte les contraintes de fiabilité et de compacité nécessaires à un appareil clinique. Cette source est à la base de discussions actuelles sur un projet de valorisation. Ces sources ont permis d'identifier puis de démontrer les avantages d'une chirurgie de la cornée à 1,65 µm. Nous avons mis en place un système démonstrateur basé sur cette longueur d'onde qui incorpore un module de correction du front d'onde et un dispositif d'administration du faisceau. Le groupe OPS est désormais en mesure d'étendre les champs d'investigations en chirurgie femtoseconde, tout d'abord dans la sclère puis plus généralement dans l'ensemble des tissus notamment au travers de nouveaux projets aujourd'hui en préparation tel que la chirurgie de la cataracte ou encore le transfert de gènes.

La capacité de la tomographie par cohérence optique (OCT) à délivrer des images tomographiques de tissus biologiques in vivo, de manière non invasive et en temps réel, a suscité un intérêt croissant pour de nombreuses applications biomédicales, principalement en ophtalmologie pour l'imagerie de la rétine et du segment antérieur de l'œil. Toutefois, pour l'imagerie à haute résolution de tissus biologiques fortement diffusants, comme la sclérotique et la cornée œdémateuse, la technique nécessitait des améliorations technologiques. Dans cette thèse, un système d'OCT " Fourier-domain " (FD-OCT) à très haute résolution spatiale (< 4 µm), à la longueur d'onde de 1,3 µm, a été développé dans la Laboratoire Charles Fabry - Institute d'Optique Graduate School. Avec ce système original, nous avons réussi, pour la première fois, à visualiser correctement le canal de Schlemm de l'œil humain qui se trouve à une profondeur d'environ 0,8 mm dans le limbe de la cornée, milieu fortement diffusant. L'imagerie du canal de Schlemm est capitale afin d'envisager la chirurgie par laser du glaucome, qui consiste à inciser cette partie de l'œil afin d'améliorer l'écoulement de l'humeur aqueuse. Par ailleurs, en collaboration avec le Laboratoire d'Optique Appliquée de l'ENSTA ParisTech, nous avons démontré la possibilité de contrôler en temps réel par OCT des découpes par laser femtoseconde pratiquées dans la cornée humaine in vitro. Ces travaux ont montré que l'opération du Glaucome par laser femtoseconde, contrôlée par OCT, devrait être possible.

De nombreux processus fondamentaux ont lieu sur des échelles de temps femtosecondes à plusieurs centaines de picosecondes. En outre, les demandes continues d'augmentation de résolution et de précision dans l'industrie du micro-usinage de pointe exigent la compréhension fine des mécanismes physiques d'ablation et l'identification précise des conditions optimales de mise en œuvre des systèmes laser femtosecondes. Ces systèmes doivent ainsi permettre la production de structures de taille micrométrique de manière contrôlée et étalonnée. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interaction d'un laser femtoseconde (500 fs @ 1025 nm) avec une cible diélectrique en utilisant un banc d'essai spécifique. La première partie de cet ouvrage décrit les aspects fondamentaux du dépôt d'énergie laser dans les diélectriques (SiO2) et de dissipation au sein du réseau ainsi que le processus d'ablation de la matière, au moyen de techniques pompe-pompe et pompe-sonde résolues en temps. L'étude expérimentale est accompagnée d'une modélisation prenant en compte la propagation du faisceau dans la matière (équation de Helmholtz monodimensionnelle), le processus de dépôt d'énergie en régime hors équilibre (modèle à deux températures) et l'ionisation du matériau (équation de population de la densité d'électrons libres). Enfin, nous mettons en évidence l'intérêt des lasers femtosecondes pour la modification de la matière (notamment pour l'endommagement en surface et l'ablation) et les applications, notamment dans le domaine du micro-usinage et de la chirurgie de la cornée par laser. / Numerous fundamental processes take place on time scales from several femtoseconds to hundreds of picoseconds. Moreover, the continuous demands of downscaling and increase of precision in the cutting-edge micromachining industry require the comprehension of the physical mechanisms and the identification of key laser parameters for an optimized use of femtosecond laser systems. Those systems shall allow production of controlled and calibrated micrometer-size structures with high spatial selectivity. In this PhD work, we study the interaction of a femtosecond laser (500 fs @ 1025 nm) with a dielectric target using a dedicated test-bench. The first part of this work describes the fundamental aspects of laser energy deposition in dielectrics (SiO2), its redistribution to the lattice and the process of laser ablation by means of pump-pump and time-resolved pump-probe experiments. The experimental study is accompanied by a computational modeling taking into account the beam propagation (one-dimensional Helmholtz equation), the non-equilibrium process of the energy deposition (two-temperature model) and the matter ionisation (rate equation describing the free electron density change). Finally, we put in evidence the interest of femtosecond lasers for material modification (notably for surface damage and ablation) which high specific benefit in such applications as micromachining and laser corneal surgery.

La capacité de la tomographie par cohérence optique (OCT) à délivrer des images tomographiques de tissus biologiques in vivo, de manière non invasive et en temps réel, a suscité un intérêt croissant pour de nombreuses applications biomédicales, principalement en ophtalmologie pour l’imagerie de la rétine et du segment antérieur de l’œil. Toutefois, pour l’imagerie à haute résolution de tissus biologiques fortement diffusants, comme la sclérotique et la cornée œdémateuse, la technique nécessitait des améliorations technologiques. Dans cette thèse, un système d’OCT « Fourier-domain » (FD-OCT) à très haute résolution spatiale (< 4 µm), à la longueur d’onde de 1,3 µm, a été développé dans la Laboratoire Charles Fabry – Institute d’Optique Graduate School. Avec ce système original, nous avons réussi, pour la première fois, à visualiser correctement le canal de Schlemm de l’œil humain qui se trouve à une profondeur d’environ 0,8 mm dans le limbe de la cornée, milieu fortement diffusant. L’imagerie du canal de Schlemm est capitale afin d’envisager la chirurgie par laser du glaucome, qui consiste à inciser cette partie de l’œil afin d’améliorer l’écoulement de l’humeur aqueuse. Par ailleurs, en collaboration avec le Laboratoire d’Optique Appliquée de l’ENSTA ParisTech, nous avons démontré la possibilité de contrôler en temps réel par OCT des découpes par laser femtoseconde pratiquées dans la cornée humaine in vitro. Ces travaux ont montré que l’opération du Glaucome par laser femtoseconde, contrôlée par OCT, devrait être possible. / The ability of optical coherence tomography (OCT) to deliver tomographic images of biological tissues in vivo non-invasively and in real-time has been a growing interest in many biomedical applications, mainly in ophthalmology for imaging the retina and the anterior segment of the eye. However, developing high-resolution OCT for imaging strongly scattering biological tissues like sclera and edematous cornea has still been the main challenge. In this PhD work, an ultrahigh-resolution (< 4 µm) Fourier-domain OCT (FD-OCT) system optimized at 1.3 µm center wavelength was developed in Laboratoire Charles Fabry – Institut d’Optique Graduate School. Using this OCT system, we have, for the first time, properly visualized the Schlemm’s canal of the human eye that is located in the strongly scattering corneal limbus at depth of ~ 0.8 mm. Schlemm’s canal has been our target for OCT imaging because it plays an important role for the management of the aqueous humor that is responsible for causing glaucoma - an eye disease that can potentially lead to blindness. In collaboration with Laboratoire d’Optique Appliquée at ENSTA ParisTech, we have also demonstrated real-time OCT imaging of the femtosecond laser surgery in excised human cornea. These studies have thus shown that the surgery of glaucoma by femtosecond laser, monitored by OCT, would be possible.