Modélisation du temps de vol des photons dans un milieu diffusant et absorbant à l’échelle femtoseconde

Modelling of the time of flight of photons through a scattering and absorbing medium at femtosecond time scale

• Auteur / Autrice : Myriam Kervella
• Direction : François Hache, Thibault Dartigalongue
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et systèmes optoélectroniques
• Date : Soutenance le 05/02/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département d'optique théorique et appliquée

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Absorption

Lasers femtoseconde

Photons

Mots clés libres

Laser femtoseconde

Diffusion de la lumière

Absorption

Femtosecond laser

Scattering of the light

Absorption

Résumé

Les milieux diffusants épais et absorbant sont présents dans un grand nombre de domaine : peintures, jets,crèmes et produits cosmétiques, tissus biologiques, etc. L’étude in situ et non invasive de tels milieux est de la plus haute importance car l’enjeu est de pouvoir mesurer les propriétés physiques à l’intérieur même du système sans le perturber. L’utilisation d’un laser femtoseconde permet de sonder ces milieux en profondeur tout en effectuant des mesures de temps de vol des photons. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’interaction entre une impulsion femtoseconde et un milieu à la fois diffusant et absorbant.L’effet principal des processus d’absorption est d’accélérer le temps de vol des photons. En effet, plus un photon reste longtemps dans le milieu, plus il aura de chance d’être absorbé. Les processus d’absorption ont en effet la propriété de « tuer » les trajectoires les plus longues, qui correspondent aux retards les plus conséquents. Une étude fine des signatures temporelles peut donc renseigner quant à la taille des particules, au coefficient d’absorption du liant, des particules ou d’autres paramètres microphysiques du milieu. Une partie conséquente du travail de thèse a consisté à étendre les modèles de diffusion temporelle au cas d'un milieu absorbant. Nous avons enfin réalisé plusieurs applications numériques à l’aide d’un code de Monte-Carlo modélisant la diffusion multiple temporelle dans un milieu absorbant. Deux cas particuliers exhibant une modification des signatures temporelles très sensibles à l’absorption ont été étudiés et illustrés de cas concret. Tout d’abord, nous montrons qu’une très faible absorption dans de grosses particules se répercute sur la signature temporelle en diffusion avant. Une application pour la détermination de la température d’alumine dans un jet de propulseur est envisagée. Ensuite, l’absorption du liant réduit les temps de vol en rétrodiffusion. Une mise en évidence expérimentale de ce phénomène ainsi qu’une comparaison avec nos modèles sont présentées.

Thick scattering and absorbing media are present in a great variety of domain such as paints, jets,cosmetics, biological tissues, etc. In situ and non invasive studies of such media are very importan tbecause the issue is to measure physical properties inside the medium without perturbations. The use of a femtosecond laser can both probe these media in depth and make photons time of flight measurement.The aim of this thesis is to model interaction between a femtosecond pulse and a scattering and absorbing medium. The main effect of absorption is to increase the time of flight of photons. Indeed, the absorption processes have the property to “kill” the longer trajectory, which corresponds to more important delays.An extended study of temporal profiles can give information about the size of the particles, the absorption coefficients of the surrounding medium and of particles or other microphysical properties of the medium.A substantial part of the thesis consists in extension of temporal scattering models to the case of absorbing medium. We have finally realized several numerical applications with the help of a Monte-Carlo code,which simulates temporal multiple scattering processes in an absorbing medium. Two particular cases exhibit a neat modification of the temporal profile with absorption. We have studied and illustrated them with practical cases. First, we show that small absorption in large particles modifies the temporal profile inforward scattering. Application such as temperature determination of alumina particles in a rocket jet is considered. Then, absorption in the surrounding medium decreases the time of flight of backscattering temporal profile. An experimental illustration of this phenomenon and a comparison with our models are presented.