Interaction between an ultra-short light pulse and a dense cloud of particules : numerical simulations and experiments.

Interaction entre une impulsion lumineuse ultra-brève et un nuage dense de particules : simulations numériques et expériences

• Auteur / Autrice : Cécile Calba
• Direction : Claude Rozé, Thierry Girasole
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Rouen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Diffusion multiple (physique)

Lasers femtoseconde

Photons -- Corrélation

Mesures optiques

Mots clés libres

Lorenz-Mie

Séries de Debye

Résumé

Les métrologies mises en œuvre pour caractériser les écoulements diphasiques font très largement appel à des méthodes optiques non intrusives (PDA, PIV, diffractométrie, turbidimétrie, …) qui reposent sur l’hypothèse de diffusion simple. Elles sont alors inopérantes dans les milieux denses où la diffusion multiple est prépondérante et brouille le signal. Ce travail vise à étudier le potentiel des impulsions lumineuses ultra-brèves et d’une détection résolue en temps pour repousser cette limitation. Avec un tel éclairage, la lumière diffusée dans un milieu se répartit temporellement en fonction des différents trajets optiques empruntés. On peut alors isoler les photons directement transmis appelés photons balistiques des photons diffusés dans le cas d’une détection vers l’avant. Les phénomènes de diffusion résolus en temps ont été quantifiés à l’aide d’outils numériques. Un code de Monte Carlo a été construit. Il utilise les caractéristiques optiques de diffusion simple décrivant l’interaction entre une particule et une impulsion de durée arbitraire obtenues par théorie de Lorenz-Mie ou par séries de Debye. Ce code a pour originalité de prendre en compte les délais temporels dus à l’interaction entre l’impulsion incidente et les particules, en plus des délais dus aux distances inter-particulaires. Ce code montre tout son intérêt pour les grosses particules (50-150 µm). Dans le cas de petites particules (inférieures à 5 µm), un algorithme simplifié de semi Monte Carlo tenant en compte les effets de polarisation peut être utilisé, en ne considérant que les distances inter-particulaires. Des expériences ont été menées sur des solutions étalons très concentrées de particules (polystyrène ou verre) dans l’eau, avec un système femtoseconde. Des comparaisons entre calculs et expériences montrent un très bon accord. Des mesures de concentration et de taille de particules jusqu’à des épaisseurs optiques de 20 ont été réalisées et les perspectives métrologiques de ce travail discutées.

Metrologies used to characterize two-phase flows are often based on non intrusive optical techniques (PDA, PIV, diffractometry, turbidimetry, …), which use single scattering hypothesis. Their are ineffective in dense media where multiple scattering is predominant and scrambles the signal. This work is dedicated to study the potential of ultra-short light pulses to overpass this limitation, in association with a time-resolved detection. With this kind of illumination, scattered light is temporally divided versus different optical paths. Direct photons called ballistic photons are distinguished to scattered photons in forward detection. Time-resolved scattering phenomena have been quantified with help of numerical tools. An Monte Carlo code has been built. It uses single scattering characteristics describing interaction between one particle and an ultra-short pulse, obtained by Lorenz-Mie theory or Debye series. The originality of this code is to take into account the interaction time between incident pulse and particles, added to the propagation time between the scattered centers. This code is interesting for large particles (50-150 µm). In small sized particles case (small than 5 µm) a simplified semi Monte Carlo algorithm taking into account polarization can be uses, taking into account only propagation time between the scattered centers. Experiments have been made using a femtosecond system on dense calibrated solutions of particles (polystyrene or glass) immersed in water. Comparisons between computations and experiments show a good agreement. Concentration and particle size measurements have been demonstrated for optical depths until 20 and metrological perspectives are discussed.