Caractérisation de Milieux diffusants en écoulement par transport incohérent de lumière polarisée

Characterization of diffusing Medium under flow by incoherent polarized light transport

• Auteur / Autrice : Jérôme Dillet
• Direction : Michel Lebouché, Christophe Baravian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques - Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Biréfringence

Polarisation (lumière)

Émulsions

Lumière -- Diffusion

Résumé

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons au problème général de la caractérisation des dispersions concentrées. Nous développons une technique optique de diffusion basée sur le transport incohérent de lumière polarisée. Nous proposons un dispositif expérimental permettant l’acquisition de la matrice Mueller (Matrice 4x4 2D) représentant l’ensemble des interactions entre la lumière et un milieu diffusant. Le dispositif est constitué d’une source laser focalisée à la surface de l��échantillon et d’une caméra CCD permettant l’acquisition des images rétrodiffusées. Des lames à cristaux liquides sont utilisées pour sélectionner rapidement différents états de polarisation en entrée (source) et en sortie (acquisition). Parallèlement nous construisions puis analysons une base de données de simulations de Monte Carlo basée sur la théorie de Mie. Par confrontation des données expérimentales et numériques nous déterminons la taille moyenne des particules en suspension indépendamment de leur concentration. Le principe de mesure est validé sur des émulsions d’huile dans de l’eau puis appliqué à une étude d’un mécanisme de coacervation. Avec l’hypothèse que les propriétés optiques sont connues, nous effectuons une mesure simultanée et in situ de la taille des particules et de leur concentration. Une seconde partie de la thèse utilisera le transport anisotrope de lumière pour l’étude de suspensions biréfringentes ou anisotropes (Argile, bâtonnets de verre, suspensions sanguines) sous écoulement cisaillé. Pour chaque système, nous déterminons un axe d’orientation ou de déformation et nous quantifions l’anisotropie du système. Nous montrons donc que le transport stationnaire incohérent de lumière polarisée en milieu turbide est un outil permettant de caractériser des dispersions de nature variée en terme de taille, de concentration et d’orientation moyenne des objets dispersés sous écoulement.

In this thesis, we are interested in the general problem of characterizing concentrated dispersions. We develop an optical diffusing method which uses the incoherent polarized light transport. We propose an experimental setup to acquire the Mueller matrix (Matrix 4x4 2D). This matrix, composed by 16 images, represents all interactions between an electromagnetic wave and a diffusing medium. The experimental device is composed of a focused laser diode and a CCD camera to acquire the backscattered images. Four liquid crystal retarders are used to select quickly the appropriate polarization states of light that enter and leave the medium. To analyse polarisation effects, we develop a Monte Carlo simulation database using Mie theory. We show that knowing refractive indexes, Mueller matrices can be used to determine simultaneously and in situ an average particle size and particle volume fraction in dense turbid media. The measurement method is validated with oil in water emulsions and is used to study dynamically a complex coacervation mechanism. In the second part of the thesis, the anisotropic light transport is used to study the birefringence of turbid media or anisotropic suspensions. We measure dynamically the shear-induced global orientation in a clay suspension, a glass cylinders suspension and red blood cells suspensions. So, the static incoherent polarized light transport is a powerful method to characterize under flow various turbid medium in terms of particle size, concentration and objects orientation.