A few computational models currently exist to predict heat production and dissipation in tissue when a tumor containing optically-tunable gold nanoparticles such as nanoshells or nanorods is illuminated with near infrared (NIR) laser. The validity of any computational model still needs to be established by experiments before its wide use for various future clinical applications. One of the possible ways to validate the model is through the heat measurements within a phantom made with tissue-equivalent heat-sensitive gel. Currently, there are a few recipes available for this type of gel and the majority of them use severely toxic ingredients. However, none of them seems to perfectly serve the current purposes. Therefore, the primary goal of this thesis work was to develop and characterize two new types of heat-sensitive gels, using relatively non-toxic substances for the in-phantom validation of computational models. Specifically, two novel agar based phantoms, TG1 and TG2, were developed and characterized. The basic optical response of these phantoms at 808 nm NIR light was determined to test their equivalency to human tissue. Thermal damage to the phantoms was quantified by heating them to specific temperatures and obtaining calibration curves to relate temperature and R2 relaxation rates. The phantoms were scanned with magnetic resonance imaging (MRI) to obtain T2 values. TG1 gel, agar and bovine serum albumin (BSA) mixture, was found not to be optically tissue-equivalent. However, TG1 gel demonstrated unambiguous digital response capable of distinguishing temperature of at least 70 °C compared to the sample receiving no heat. Additionally, TG1 gel produced high degree of linearity in the thermal therapy temperature regime (60 - 80 °C). TG2 gel containing agar mixed with BSA and Intralipid has exhibited tissue equivalency based on laser transmission measurements. TG2 gel exhibited heat damage based on T2 values, only when the temperature reaches 80 °C. This digital response is considered less sensitive in view of the fact that BSA starts to undergo denaturing and cause optical density change at approximately 70 °C. Both gels, however, have shown to be thermally stable at temperatures up to 80 °C with no evidence of gel melting being observed.

La fusion sélective par laser est un procédé de la technologie de fabrication rapide de plus en plus utilisé dans l’industrie automobile, aéronautique, médicale, etc. Selon le principe de la fabrication rapide, la pièce est fabriquée couche par couche en fusionnant et soudant les particules fines par laser. Actuellement, les principaux matériaux utilisés sont les métaux métalliques ou les polymères. Le faible ou modeste point de fusion de ces matériaux conduit à une mise en œuvre par laser relativement facile. Cependant, en raison de leur point de fusion élevé, de la forte résistance à haute température et de la faible conductivité thermique, l’utilisation de matériaux céramiques est limitée dans la technologie de fusion laser sélective. Cette étude explore la fusion laser sélective de zircone stabilisée par yttrine avec un laser à fibre de longueur d’onde d’environ 1 µm. L’influence de différentes puissances de laser et de différentes vitesses de balayage sur la microstructure et la déformation de l’échantillon a été étudiée, et la densité relative et la microdureté ont été mesurées. Notamment, l’effet de différentes températures de préchauffage sur la microstructure sera étudié. En même temps, la structure cristalline céramique et la transformation des phases pendant le procédé de prototypage rapide ont été analysées. Les résultats expérimentaux montrent qu’il est possible de fondre complètement de la poudre YSZ avec un laser à fibre NIR, et avec l’optimisation des paramètres de fabrication, la densité relative de l’échantillon peut atteindre 91 %. Il est inévitable de voir se former des fissures et des pores dans les pièces fabriquées du fait de l’hétérogénéité de la distribution de l’énergie du laser. Cette distribution de l’énergie peut être améliorée grâce à l’optimisation des paramètres ; les longueurs de fissure peuvent être contrôlées et maîtrisées par un préchauffage du lit de poudre. Notamment, à haute température (1500°C, 2000°C et 2500°C) de préchauffage, la fissure verticale continue devient désordonnée et courte. Une transformation de la structure monoclinique et cubique en structure tétragonale s’est produite pendant le processus de fabrication. / Selective laser melting is a rapid manufacturing process coming from the rapid prototyping technology, which is widely used in the automotive, aeronautical, medical industry etc. According to the principle of rapid manufacturing, the piece is manufactured layer by layer through the laser sintering or melting the fine powder. Currently, the main powder materials used are metal or polymer materials. The low melting point of these materials facilitates the melting process. However, duo to the high melting point, strong strength at high temperature and low thermal conductivity the application of ceramic materials is limited in the technology of selective laser melting. In this study, selective laser melting of the ceramic yttria stabilized zirconia by a 1μm wavelength fiber laser was explored. The influence of different laser powers and different scanning velocities on the microstructure and the deformation were analyzed, then the micro-hardness and relative density were measured. In particular, the effect of different preheat temperatures on microstructure was investigated. At the same time, the crystal structure and phase transformation during the fabrication were analyzed. Experimental results show that YSZ powder can be completely melted by the near IR fiber laser. With the optimization of the manufacturing parameters, the relative density of sample could reach 91 %. The forming of cracks and pores in the manufactured parts is rarely avoid due to the heterogeneity of distribution of energy. The energy distribution could be improved by optimizing the parameters and the crack lengths can be controlled by preheating the powder bed. In particular, the high temperature (1500 ℃, 2000 ℃ and 2500 ℃) lead the continuous vertical crack becomes messy and short. The transformation of monoclinic and cubic crystal to tetragonal crystal can be observed during the fabrication.

This research was a collaborative effort between the Air Force Research Laboratory (AFRL) and the University of Texas to examine the laser-tissue interaction of thermal lensing induced by continuous-wave, CW, near-infrared, NIR, laser radiation in the eye and its influence on the formation of a retinal lesion from said radiation. CW NIR laser radiation can lead to a thermal lesion induced on the retina given sufficient power and exposure duration as related to three basic parameters; the percent of transmitted energy to, the optical absorption of, and the size of the laser-beam created at the retina. Thermal lensing is a well-known phenomenon arising from the optical absorption, and subsequent temperature rise, along the path of the propagating beam through a medium. Thermal lensing causes the laser-beam profile delivered to the retina to be time dependent. Analysis of a dual-beam, multidimensional, high-frame rate, confocal imaging system in an artificial eye determined the rate of thermal lensing in aqueous media exposed to 1110, 1130, 1150 and 1318-nm wavelengths was related to the power density created along the optical axis and linear absorption coefficient of the medium. An adaptive optics imaging system was used to record the aberrations induced by the thermal lens at the retina in an artificial eye during steady-state. Though the laser-beam profiles changed over the exposure time, the CW NIR retinal damage thresholds between 1110-1319-nm were determined to follow conventional fitting algorithms which neglected thermal lensing. A first-order mathematical model of thermal lensing was developed by conjoining an ABCD beam propagation method, Beer's law of attenuation, and a solution to the heat-equation with respect to radial diffusion. The model predicted that thermal lensing would be strongest for small (< 4-mm) 1/e² laser-beam diameters input at the corneal plane and weakly transmitted wavelengths where less than 5% of the energy is delivered to the retina. The model predicted thermal lensing would cause the retinal damage threshold for wavelengths above 1300-nm to increase with decreasing beam-diameters delivered to the corneal plane, a behavior which was opposite of equivalent conditions simulated without thermal lensing. / text

La fusion sélective par laser est un procédé de la technologie de fabrication rapide de plus en plus utilisé dans l'industrie automobile, aéronautique, médicale, etc. Selon le principe de la fabrication rapide, la pièce est fabriquée couche par couche en fusionnant et soudant les particules fines par laser. Actuellement, les principaux matériaux utilisés sont les métaux métalliques ou les polymères. Le faible ou modeste point de fusion de ces matériaux conduit à une mise en œuvre par laser relativement facile. Cependant, en raison de leur point de fusion élevé, de la forte résistance à haute température et de la faible conductivité thermique, l'utilisation de matériaux céramiques est limitée dans la technologie de fusion laser sélective. Cette étude explore la fusion laser sélective de zircone stabilisée par yttrine avec un laser à fibre de longueur d'onde d'environ 1 µm. L'influence de différentes puissances de laser et de différentes vitesses de balayage sur la microstructure et la déformation de l'échantillon a été étudiée, et la densité relative et la microdureté ont été mesurées. Notamment, l'effet de différentes températures de préchauffage sur la microstructure sera étudié. En même temps, la structure cristalline céramique et la transformation des phases pendant le procédé de prototypage rapide ont été analysées. Les résultats expérimentaux montrent qu'il est possible de fondre complètement de la poudre YSZ avec un laser à fibre NIR, et avec l'optimisation des paramètres de fabrication, la densité relative de l'échantillon peut atteindre 91 %. Il est inévitable de voir se former des fissures et des pores dans les pièces fabriquées du fait de l'hétérogénéité de la distribution de l'énergie du laser. Cette distribution de l'énergie peut être améliorée grâce à l'optimisation des paramètres ; les longueurs de fissure peuvent être contrôlées et maîtrisées par un préchauffage du lit de poudre. Notamment, à haute température (1500°C, 2000°C et 2500°C) de préchauffage, la fissure verticale continue devient désordonnée et courte. Une transformation de la structure monoclinique et cubique en structure tétragonale s'est produite pendant le processus de fabrication.