Diffusion de la lumière à partir des surfaces rugueuses complexes

Light Scattering from Complex Rough Surfaces

• Auteur / Autrice : Colette Turbil
• Direction : Ingve Simonsen, Iryna Gozhyk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Surface du Verre et Interfaces (Aubervilliers, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Obein, Kevin Vynck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathieu Hébert, Anne Tanguy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique géométrique

Optique physique

Rugosité

Lumière -- Diffusion

Mots clés libres

Diffusion de la lumière

Surfaces rugueuses

Propriétés morphologiques

Propriétés optiques

Modèle de diffusion de la lumière

Light scattering

Rough surfaces

Morphological properties

Optical properties

Résumé

Lorsque la lumière interagit avec un objet, deux phénomènes peuvent avoir lieu : la lumière peut être absorbée ou déviée par l’objet, ce dernier phénomène étant généralement qualifié de diffusion de la lumière. Malgré l’intérêt de la communauté scientifique au cours des dernières décennies, la diffusion de la lumière induite par des surfaces rugueuses reste un problème complexe à traiter, ceci étant principalement dû à la grande multidisciplinarité requise pour l’étude du phénomène. Ce travail multidisciplinaire est basé sur l’étude de quatre différents domaines scientifiques qui doivent être considérés en parallèle pour traiter le phénomène de diffusion de la lumière de manière globale. Une vingtaine d’échantillons, fabriqués au laboratoire ou par des procédés industriels, sont sélectionnés pour leurs différentes apparences visuelles. Leur morphologie est caractérisée grâce à trois dispositifs expérimentaux, qui permettent ainsi de décrire la rugosité sur quatre décades de fréquences spatiales. Ensuite, la distribution angulaire de l’intensité lumineuse diffusée par les échantillons est mesurée, et confirme la grande variété des propriétés optiques des surfaces examinées. Finalement, ces données expérimentales sont utilisées et comparées aux résultats de deux types de modèles de diffusion de la lumière, l’un basé sur l’optique géométrique et l’autre sur l’optique physique. L’étude montre que les propriétés optiques des échantillons étudiés peuvent être assez fidèlement reproduites par le modèle de diffusion de la lumière basé sur l’optique physique. En revanche, le modèle basé sur les lois de l’optique géométrique ne parvient pas à produire des résultats satisfaisants.

When light interacts with an object, two types of phenomena can occur: light can be either absorbed or redirected by the object. The latter phenomenon is generally referred to as light scattering. Despite the significant efforts over the past decades of the scientific community, light scattering from rough surfaces remains a complex problem. This is partly due to the high degree of multidisciplinary that is required for its study. The present multidisciplinary study is related to four scientific domains that must be examined to consider the full light scattering phenomenon. First, a large panel of a rough surface, elaborated by ourselves in the laboratory or manufactured industrially, is selected for its wide range of visual aspect. The morphology of the samples are characterized using three experimental tools which allow us to describe their surface morphologies over four decades of spatial frequencies. Then the angular intensity distributions of the light scattered from the samples are measured which confirm the wide variety of optical properties of the samples. Finally, these reliable and representative experimental data are compared to the results of different light scattering models, based on both the physical and the geometrical optics approaches. The main conclusion we drew from this work is that for the examined surfaces, the light scattering can be approximated fairly well by a model based on the physical optics approach, while at the same time, geometrical optics models are not able to give an adequate description of the same scattering data.