Diffusion de la lumière par un objet irrégulier pour l'application à l'imagerie des sprays

• Auteur / Autrice : Yijia Yuan
• Direction : Kuan Fang Ren, Claude Rozé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Energétique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Heisenberg, Principe d'incertitude d'

Diffraction

Optique géométrique

Interférence (optique)

Ondes électromagnétiques -- Diffusion

Résumé

L’étude de l’interaction lumière-particule (diffusion de la lumière) est essentielle pour le développement et l’amélioration de la métrologie optique. Les théories rigoureuses ne sont pas adaptées aux particules de forme irrégulière. Des méthodes numériques ont alors été développées mais elles restent limitées aux petites particules. Restent les méthodes approchées du type optique géométrique. Cette thèse a pour l’objet de prédire précisément l’interaction entre la lumière et un objet de grande taille et de forme quelconque. Sur la base de l’optique géométrique, nous avons développé deux méthodes approchées : le modèle de tracé de rayons vectoriels complexes (TRVC) et le modèle de Monte Carlo par tracé de rayons d’onde (MCTRO). Ils prennent en compte les propriétés ondulatoires telles que la polarisation, la phase, la divergence ou la convergence de l’onde pour prédire correctement les interférences. Les deux modèles ont été validés par comparaison avec la théorie de Lorenz-Mie pour une particule sphérique. On les a ensuite utilisés pour prédire la diffusion par une particule non sphérique, un sphéroïde. Les diagrammes de diffusion simulés par les deux modèles correspondent de façon remarquable entre eux. Le modèle peut être adapté à toute forme de particules. Afin de tenir compte de la diffraction d’un rayon lumineux ou d’un photon, le modèle de l’incertitude de Heisenberg (IH) a été étudié et amélioré. Notre modèle de diffraction peut prédire avec précision la diffraction par une ouverture de forme complexe et deux ouvertures. Nous avons donc développé un modèle d’interaction entre la lumière et un objet quelconque suffisamment précis pour pouvoir l’appliquer à des images de spray.

The particle-light interaction (light scattering) is the basic issue for the development and improvement of optical metrology. The rigorous theories are not suitable for irregular particles. Then, numerical methods have been developed, but they are still limited to small particles. It remains approximate methods of type geometrical optics. The aim of this thesis is to predict accurately the interaction between light and large objects of any shape. On the basis of geometrical optics, we have developed two approximate methods: vectorial complex ray model (VCRM) and Monte Carlo ray tracing of wave (MCRTW). They take into account the wave properties such as polarization, phase and divergence or convergence of the wave to predict correctly the interferences. The two models have been validated by comparison with the Lorenz-Mie theory for a spherical particle. We have also used them to predict the scattering patterns of a non-spherical particle, a spheroid. The scattering diagrams simulated by the two models correspond remarkably between them. The model can be adapted to particle of any shape. To consider the diffraction of a light ray or a photon, the Heisenberg uncertainty (HU) model has been studied and improved. Our diffraction model can accurately predict the diffraction by an aperture of complex shape and two apertures. We have developed a model of interaction between light and any object sufficiently precise to be applied to images of spray.