Diffusion de la lumière par de grosses particules au voisinage d'arc-en-ciel par le VCRM et l'optique physique

Light Scattering in the Rainbow Region of a Large Particle by Vectorial Complex Ray Model and Physical Optics

• Auteur / Autrice : Ce Zhang
• Direction : Kuan Fang Ren, Claude Rozé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Brunel, Loïc Méès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bingqiang Sun, Fabrice Onofri, Bing Wei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Caustiques (optique)

Optique géométrique

Modèles mathématiques

Lumière -- Propagation

Optique physique

Arc-en-ciel

Lumière -- Diffusion

Mots clés libres

Diffusion de la lumière

Arc-en-Ciel

Caustique

Modèle vectoriel de rayon complexe

Optique physique

Front d'onde

Facteur de divergence

Light scattering

Rainbow

Caustics

Vectorial complex ray model

Physical optics

Wavefront

Divergence factor

Résumé

L’arc-en-ciel est l’un des plus beaux phénomènes de la nature. Le principe de sa formationa toujours attiré de nombreux scientifiques. Les propriétés des particules tels quela taille, la forme et la température peuvent être mesurés par les diagrammes de diffusionau voisinage des angles d’arc-en-ciel. Cependant, la prédiction précise ces propriétés et lesdiagrammes de diffusion n’est pas une tâche facile, surtout pour les grosses particules nonsphériques. Le but de cette thèse est de chercher une solution à ce problème par la combinaisondu modèle de rayons complexes vectoriels (Vectorial Complex ray model - VCRMenanglais) et de l’optique physique (OP), appelé VCRM+OG.Les concepts et les lois fondamentaux de l’Optique Géométrique (GO) et OP sontd’abord introduits et examinés dans le but de leur application à la diffusion de la lumière.The OG permet de calculer l’amplitude et la phase de tous les rayons émergents au champlointain mais échoue pour la prédiction de la diffusion dans la direction avant et près des anglesd’arc-en-ciel. OP peut remédier à la diffusion avant en considérant la particule commeun disque mais la rectification de la diffusion près des angles d’arc-en-ciel est un sujet ardudepuis longtemps.Le VCRM développé au laboratoire peut prédire l’amplitude et la phase d’un rayon àn’importe quelle position pour une particule de forme quelconque de surface lisse. Leséléments essentiels du VCRM sont présentés et appliqués à la diffusion dans un plan desymétrie d’un cylindre elliptique infini et d’un ellipsoïde pour illustrer la démarche, sesavantages et ses inconvénients. Comme le VCRM est un modèle de rayon, le défaut de ladiscontinuité d’intensité à l’angle de l’arc-en-ciel persiste.Ensuite, la théorie d’Airy de l’arc-en-ciel a été examinée en utilisant notre VCRM+PO. Ilest montré qu’en remplaçant l’amplitude constante et la fonction de phase cubique de lathéorie d’Airy par celles calculées avec VCRM, notre méthode peut prédire très précisémentles diagrammes de diffusion au voisinage de l’arc-en-ciel en polarisation perpendiculaireou parallèle pour une particule sphérique de 10 ¹m à 1 mm (éclairée par la lumière visible)par rapport à la théorie rigoureuse de Debye.La méthode VCRM+PO a été appliquée finalement à la prédiction des diagrammes dediffusion au voisinage de l’arc-en-ciel d’une particule non sphérique comme un cylindre elliptiqueinfini et un ellipsoïde. L’effet de convergence et la position des cuspides en fonctiondu rayon vertical de la particule ont été mis en évidence.On peut conclure donc que VCRM+PO est une méthode puissante pour la diffusionde la lumière par de grosses particules. Elle peut également être utilisée pour la diffusiond’une onde électromagnétique ou d’une onde acoustique.

Rainbow is one of the most beautiful phenomena in nature, the physical principlefor its formation ever attracted many scientists. The particle parameters like size,shape and temperature can be measured by its scattering diagrams in the neighborhoodof rainbowangles. However, the precise prediction of these scattering patternsis not an easy task, especially for large non-spherical particles. The aim of this thesisis to solve this problem by the combination of the Vectorial Complex ray model(VCRM) and physical optics (PO).The fundamental concepts and laws of GO and PO are firstly introduced andexamined in the purpose for their application to the light scattering of an infinitecircular cylinder and a sphere. GO permits to calculate the amplitude and the phaseof all the emergent rays in far field but it fails in prediction of the scattering in forwarddirection and near the rainbow angles. PO can remedy the scattering in theforward direction by considering the particle as a disk but the rectification of thescattering near the rainbow angles has been an arduous topic since a long time.VCRM developed in the laboratory can predict the amplitude and the phase ofa ray at any position for a particle of any shape of smooth surface. The essentialsof VCRM are then presented and applied to the scattering of an infinite ellipticalcylinder and an ellipsoid. Since VCRM is still a ray model the flaw of the intensitydiscontinuity at the rainbow angle persists.Then, the Airy theory of rainbow has been examined using our methodVCRM+PO. It is shown that by replacing the constant amplitude and cubic phasefunction in Airy theory by the those calculated with VCRM, ourmethod can predictvery precisely the scattering patterns in the neighborhood of rainbow in perpendicularor parallel polarization for a spherical particle from10 ¹mto 1mm(illuminatedby visible light) when compared with the rigorous Debye theory.The method VCRM+PO has been applied finally to the prediction of the scatteringpatterns in the rainbow region of a non-spherical particles like infinite ellipticalcylinder and ellipsoid. The convergence effect and the cusp position as function ofthe vertical radius of the particle have been highlighted.Therefore, VCRM+PO is a powerful method for light scattering by large particles.It can also be used in the scattering of an electromagnetic wave or a acoustics wave.