Détermination de l’indice de réfraction complexe de particules en suspension dans un environnement contrôlé par spectroscopie Térahertz

Complex refractive index determination of suspended particles in a controlled environment by TeraHertz spectroscopy

• Auteur / Autrice : Jeyan Bichon
• Direction : Denis Petitprez, Sophie Eliet-Barois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère (PC2A)
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Centre national de la recherche scientifique (France ; 1939-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Yon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Chiapello
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gwenaël Gaborit, Weidong Chen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie terahertz

Propriétés optiques

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Indice complexe de réfraction

TéraHertz

Aérosol atmosphérique

Complex refractive index

Terahertz

Atmospheric aerosol

Résumé

La composition de l'atmosphère joue un rôle important dans la régulation des phénomènes environnementaux et par extension dans le changement climatique. L'émission thermique de la Terre dans la région Infrarouge et TeraHertz (THz) interagit avec les particules en suspension dans l'atmosphère par absorption et diffusion et modifie le bilan radiatif de la planète. Cependant, il n'y a pour l'instant aucun jeu d'indices complexes de réfraction issus de l'étude d'aérosols atmosphériques représentatifs dans le domaine THz (10 THz à 0,1 THz). Dans cette thèse, les particules du désert de Gobi ainsi que des composés purs comme la calcite et la kaolinite sont caractérisés chimiquement et morphologiquement par microscopie électronique à balayage couplée à de la spectroscopie rayons X à dispersion d'énergie. Un banc de mesure pour particules remises en suspension est mis en place et caractérisé afin d'enregistrer la réponse optique de ces particules par spectromètrie TeraHertz en domaine temporel. Par la suite, des simulations par calcul de différences finies dans le domaine temporel sont effectuées à l'échelle d'une seule particule pour mieux comprendre les interactions des aérosols avec le faisceau THz. Pour finir, la théorie des milieux effectifs est appliquée pour étudier l'indice complexe de réfraction des particules.

The composition of the atmosphere plays an important role in regulating environmental phenomena and by extension in climate change. The thermal emission of the Earth in the Infrared and TeraHertz (THz) region interacts with particles suspended in the atmosphere by absorption and scattering and modifies the radiative budget of the planet. However, there is currently no set of complex refractive indices from the study of representative atmospheric aerosols in the THz range (10 THz to 0.1 THz). In this thesis, particles from the Gobi Desert as well as pure compounds such as calcite and kaolinite are characterized chemically and morphologically by SEM-EDX (scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy). A measurement bench for resuspended particles is set up and characterized in order to record the optical response of these particles by THz-TDS (TeraHertz time domain spectroscopy). Subsequently, FDTD (finite difference time domain) simulations are performed at the single-particle scale to better understand the interactions of aerosols with the THz beam. Finally, effective media theory is applied to investigate the complex refractive index of particles.