Réponse optique non linéaire d'un aérosol de nanoparticules exposé à une source laser femtoseconde

Νon-linear optical response of aerosol nanoparticles exposed to femtosecond laser light

• Auteur / Autrice : Maxime Joret
• Direction : Jérôme Yon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/06/2025
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Petitprez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Yon, François-Xavier Ouf, Michel Devel, Marek Mazur, Evelyne Gehin, Benoît Barviau, Valérie Dupray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Ouf, Michel Devel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesures optiques

Génération de second harmonique

Optique non linéaire

Suie

Aérosols

Mots clés libres

Carbone noir

Diffusion Hyper-Rayleigh (HRS)

Surface spécifique (SSA)

Diagnostics optiques

Aerosols

Black Carbon

Non-Linear Optics

Second Harmonic Generation (SHG)

Hyper-Rayleigh Scattering (HRS)

Specific Surface Area (SSA)

Optical Diagnostics

Résumé

Les aérosols, de fines particules en suspension dans l'air, ont un impact significatif sur le changement climatique en affectant l'équilibre radiatif de la Terre. Ils ont également des implications pour la santé lorsqu'ils se déposent dans les poumons. De plus, les aérosols jouent un rôle dans divers processus, tels que la production de carbone noir pour les pneus, l'incorporation dans des matériaux pour modifier leurs propriétés, et le rayonnement thermique dans les processus de combustion. Contrôler la concentration, la taille et la morphologie de ces particules est crucial. Les diagnostics optiques sont essentiels pour l'évaluation in situ de ces propriétés, offrant des résolutions spatiales et temporelles élevées. La diffusion statique de la lumière et la diffusion dynamique de la lumière sont des processus élastiques largement utilisés pour déterminer la taille, le volume et la concentration des particules. Les techniques d'émission induite ou naturelle sont également employées pour évaluer la fraction volumique et les températures. Cependant, les diagnostics optiques conventionnels ne peuvent pas fournir d'informations sur la structure interne des particules (par exemple, l'état de graphitisation, la teneur en composés organiques) ni sur leur surface spécifique (surface de l'aérosol divisée par leur masse). Ces quantités sont d'un grand intérêt, en particulier pour évaluer les impacts toxicologiques, et dépendent fortement de la morphologie des particules. Les avancées récentes dans les impulsions laser intenses et rapides ont permis la génération d'effets optiques non linéaires (NLO), comprenant la génération de second harmonique (SHG), la génération de troisième harmonique (THG) et la diffusion hyper-Rayleigh (HRS). Ces effets ont montré un potentiel significatif dans les biosciences et la physique fondamentale pour l'étude des phénomènes sensibles à la surface. Bien que certaines expériences aient été menées sur des particules en solution ou des nanoparticules à la surface de gouttelettes, la SHG par des nanoparticules en phase aérosol n'a pas encore été démontrée. L'objectif de cette thèse est de combler cette lacune et d'évaluer le potentiel de l’optique non linéaire pour la métrologie des particules fines en suspension dans l’air, telles que les particules de suie produites lors de la combustion incomplète des carburants. Plus précisément, ce travail vise à explorer la SHG, la THG et la HRS générées par des particules de carbone noir et d'autres types de nanoparticules pour évaluer le potentiel d’accès à de nouveaux paramètres de mesure. Les expériences ont impliqué le développement d'un dispositif optique dédié et innovant capable d'analyser la réponse NLO résolue en temps, longueur d'onde et angle. Ce dispositif peut isoler la SHG, la THG et la HRS des autres phénomènes NLO, tels que la filamentation laser. Le dispositif optique a été calibré pour quantifier le signal généré et optimisé pour une haute sensibilité tout en évitant la génération de NLO à partir de ses propres éléments optiques. Les résultats confirment que les particules de suie, les gouttelettes de DEHS et les nanoparticules de carbone générées par arc produisent du SHG-HRS à des intensités inférieures de plus de sept ordres de grandeur à celles de la diffusion statique de la lumière. La THG, si elle est présente, n'était pas détectable et est donc encore plus faible. La SHG-HRS dépend de la taille des agrégats et des monomères mais ne semblent pas être influencées par la teneur en carbone organique. Les expériences montrent également que la SHG-HRS augmentent linéairement avec la surface spécifique des particules. De plus, la réponse angulaire diffère fondamentalement de la diffusion statique de la lumière, présentant un caractère isotrope. Cela suggère que les aérosols sont susceptibles de générer une diffusion hyper-Rayleigh, qui s'avère prometteuse pour quantifier la surface spécifique des aerosols par des approaches in situ.

Aerosols, fine particles suspended in the air, significantly impact climate change by affecting the Earth's radiative balance. They also have health implications when deposited in the lungs. Additionally, aerosols play a role in various processes, such as black carbon production for tires, incorporation into materials to modify their properties, and thermal radiation in combustion processes. Controlling the concentration, size, and morphology of these particles is crucial due to their desired or undesired effects. Optical diagnostics are essential for in situ assessment of these properties, offering high spatial and temporal resolutions. Static Light Scattering and Dynamic Light Scattering are elastic processes widely used to determine particle size, volume, and concentration. Induced or natural emission techniques are also employed to assess volume fraction and temperatures. However, conventional optical diagnostics cannot provide information on the particles' internal structure (e.g., graphitization state, composition) or their specific surface area (surface of aerosol divided by their mass). These quantities are of high interest, particularly for evaluating toxicological impacts, which strongly depend on particle morphology. Recent advancements in intense and short laser pulses have enabled the generation of nonlinear optical (NLO) effects, including Second Harmonic Generation (SHG), Third Harmonic Generation (THG), and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS). These effects have shown significant potential in biosciences and fundamental physics for investigating surface-sensitive phenomena. While some experiments have been conducted on particles in solution or nanoparticles on droplet surfaces, SHG by nanoparticles in the aerosol phase has not yet been demonstrated. The objective of this thesis is to address this gap and evaluate the potential of NLO for the metrology of fine particles, such as soot particles produced during the incomplete combustion of fuels. Specifically, this work aims to explore SHG, THG, and HRS by black carbon particles and other types of nanoparticles to assess new measurands. The experiments involved developing a dedicated and innovative optical setup capable of analyzing the NLO response resolved in time, wavelength, and angle. This setup can isolate SHG, THG, and HRS from other NLO phenomena, such as laser filamentation. The optical setup was calibrated to quantify the generated signal and optimized for high sensitivity while avoiding NLO generation from its own optical elements. The results confirm that soot particles, DEHS droplets, and arc-generated carbon nanoparticles exhibit SHG/ HRS at intensities more than seven orders of magnitude smaller than static light scattering. THG, if present, was not detectable and is so even weaker. SHG and HRS depend on aggregate and monomer size but do not seem to be influenced by the organic or elemental carbon content. The experiments also show that SHG-HRS increases linearly with particle surface area, independent of particle shape and composition. Furthermore, the angular response differs fundamentally from static light scattering, exhibiting an isotropic nature. This suggests that aerosols are prone to generating Hyper-Rayleigh Scattering, which is found to be promising to quantify the specific surface area of an aerosol in situ. By providing access to this crucial information, the present work paves the way for a new class of laser-based diagnostics for aerosols.