Etude de la diffusion de la lumière par des particules sub-microniques

Light scattering by sub-micrometric particles

• Auteur / Autrice : Sylvain Lecler
• Direction : Patrick Meyrueis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et image
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique des faisceaux

Lumière -- Diffusion

Résumé

L’objectif de ce travail a été de contribuer à la compréhension physique de l’interaction de la lumière visible avec des particules sub-microniques, en particulier en champ proche. Deux phénomènes particuliers ont été étudiés, la possibilité de concentrer la lumière en un jet photonique et les couplages électromagnétiques entre particules proches. La théorie de Lorenz-Mie et l’algorithme de la T-matrice, qui est une extension pour simuler rigoureusement l’interaction de la lumière avec plusieurs sphères, ont été utilisés pour les simulations. Dans les deux cas, les équations de Maxwell ont été résolues analytiquement. En premier lieu, nous avons observé la possibilité qu’avaient des sphères diélectriques de focaliser jusqu’à la limite de diffraction et de fortement concentrer l’énergie en champ proche. Cette focalisation en champ proche a lieu quand le rayon de la sphère a une taille comparable avec la longueur d’onde, mais aussi pour des sphères de taille plus grande. Quand le point focal est juste sur la surface de la sphère ou à quelques longueurs d’onde devant, la largeur (FWHM) du faisceau peut être plus petite que la longueur d’onde, le faisceau est faiblement divergent et l’énergie peut être fortement concentrée. Un tel faisceau focalisé a été appelé un jet photonique. Nous avons montré son existence pour des particules sphériques et avons décrit ses principales propriétés en fonction des propriétés optiques de la sphère. Plusieurs applications possibles ont été présentées. Cette concentration d’énergie en champ proche a posé la question des couplages électromagnétiques qui peuvent intervenir entre particules au coeur d’un agrégat de sphères diélectriques. Pour étudier ces couplages, nous avons simulé des couples de particules. L’étude a été réalisée avec des couples de sphères diélectriques et des couples de sphères conductrices parfaites et ceci pour plusieurs orientations. Notre but a été de proposer une interprétation physique des phénomènes de couplages qui peuvent avoir lieu entre deux particules proches. Pour un couple de particules qui serait orthogonal au vecteur d’onde de l’onde plane incidente, une comparaison avec des trous d’Young a été faite. En diffusion simple, l’intensité diffusée en champ lointain peut être décrite en terme d’interférences et de diffraction. Nous avons étendu cette comparaison aux cas où il y a diffusion multiple et nous avons montré que les interactions dues à la diffusion multiple influaient essentiellement sur la fraction de l’onde incidente qui interagissait avec les particules. Nous avons également considéré le cas où le couple de particules serait parallèle au vecteur d’onde de l’onde plane incidente. En diffusion multiple et dans la direction de rétro diffusion, nous avons mis en évidence un phénomène d’ombrage dans le cas de sphères conductrices parfaites, qui fait décroître l’intensité des interférences observées. A l’inverse, un effet de type Fabry-Perot (résonances d’une cavité) a été observé pour un couple de particules diélectriques, effet qui fait augmenter l’intensité des interférences observées et qui pourra être utilisés pour des applications futures.