Métrologie de la polarisation de la lumière à l'échelle du grain de speckle : histogrammes du degré de polarisation, dépolarisation spatiale et repolarisation temporelle

par Ayman Ghabbach

Thèse de doctorat en Optique, Photonique et Traitement d'Image

Sous la direction de Claude Amra et de Myriam Zerrad.

Soutenue le 30-10-2014

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) .

Le président du jury était Anne Renault.

Le jury était composé de Claude Amra, Myriam Zerrad, Bernard Le Jeune, Xavier Orlik, Alain Barthélémy.

Les rapporteurs étaient Bernard Le Jeune, Xavier Orlik.

mots clés

• Métrologie de polarisation
• Speckle
• Dépolarisation
• Repolarisation
• Dop
• Diffusion
• Diffusion par volume
• Diffusion par surface
• Interférométrie par granularité
• Granularité (optique)
• Polarisation (lumière)

Résumé

Les techniques polarimétriques ont connu un récent essor, notamment dans le domaine de l'imagerie satellitaire ou du biomédical. Ces techniques se sont étendues au cas des milieux désordonnés. Dans ce contexte, des théories unifiées sont apparues, mêlant cohérence temporelle et spatiale, dépolarisation...L'équipe CONCEPT de l'Institut Fresnel, est aujourd'hui étroitement impliquée dans l'étude de la polarisation dans le speckle de la lumière diffusée. Des résultats nouveaux ont été mis en évidence, comme la dépolarisation spatiale multi-échelle, les phénomènes de repolarisation temporelle, la dépolarisation spectrale. La prédominance de ces effets est naturellement liée à l'origine du speckle (surface, volume), mais aussi aux niveaux d'absorption et aux propriétés structurelles (rugosités, hétérogénéités) des milieux désordonnés.La plupart de ces études sont de nature théorique. Ce constat est lié à l'extrême difficulté de mesurer avec précision la polarisation de la lumière à l'échelle du grain de speckle. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse avaient ainsi pour but de remédier à cette lacune, et nous ont amenés à développer une procédure optique pour extraire les états de polarisation, et le degré de polarisation (DOP), à l'échelle du grain de speckle. En conséquence la polarisation est ici extraite pour chaque pixel d'une matrice CCD, ce qui amène tout d'abord à mettre en évidence des nuages de points plus ou moins étendus sur la sphère de Poincaré. Les histogrammes de DOP sont ensuite utilisés comme véritables signatures des milieux désordonnés.

mots clés

• Metrology of polarization
• Speckle
• Depolarization
• Enpolarization
• Dop
• Scattering
• Bulk scattering
• Surface scattering

Résumé

Polarimetric techniques knew a recent rise, especially in the field of satellite imaging andbiomedical, optics. These techniques are extended to the case of the disordered media, for applications related to the imaging scattering medium. In this context the unified theories appeared, combiningtemporal and spatial coherence, and depolarization...The team CONCEPT at Fresnel Institute, established in 2012, is now closely involved in the study of the polarization state of the scattered light within the speckle size. New results have been highlighted, such as the multi-scale spatial depolarization, the temporal enpolarization phenomena, and the spectral depolarization. The predominance of these effects is naturally related to the speckle origin (surface, bulk), but also to the absorption levels and the structural properties (roughness, heterogeneities) of disordered media.However, most of these studies are theoretical, and few experiments were previously able to reinforce the predictions. This statement is related to the extreme difficulty of accurately measuring the polarization of light across the speckle grain. Our thesis had the aim to address this gap in, and we were able to develop a procedure to extract the optical polarization states, and the degree of polarization (DOP), inside of the speckle grain.Consequently, the polarization is here extracted for each pixel of a CCD matrix, which leads first to highlight a cloud of points more or less extended on the Poincaré sphere. DOP histograms are then used as genuine signatures of disordered media.