Article

1 - DIFFUSION D’ONDES PLANES

2 - DESCRIPTION DES FAISCEAUX LASER

3 - DESCRIPTION DES PARTICULES

4 - DIFFUSION DES FAISCEAUX LASER PAR DES PARTICULES SPHÉRIQUES

5 - DIFFUSION DES FAISCEAUX LASER PAR DES CYLINDRES INFINIS

6 - APPLICATIONS DIVERSES

7 - TECHNIQUE DU PHASE-DOPPLER

8 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : AF3460 v1

Diffusion des faisceaux laser par des particules

Auteur(s) : Gérard GOUESBET, Gérard GRÉHAN

Relu et validé le 01 juil. 2015

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Auteur(s)

  • Gérard GOUESBET : Docteur ès sciences Professeur à l’INSA de Rouen, UMR-CNRS 6614

  • Gérard GRÉHAN : Docteur d’État Directeur de recherche au CNRS, UMR-CNRS 6615

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INTRODUCTION

L‘étude de l’interaction entre une onde électromagnétique et des particules (macroscopiques) a depuis longtemps constitué un domaine essentiel de l’optique, ou plus généralement, de l’électromagnétisme. Une date importante est 1890 où Lorenz décrit rigoureusement l’interaction entre la lumière et une sphère isolée (moyennant certaines hypothèses) sans recourir aux équations de Maxwell, c’est-à-dire en fait dans le cadre de l’ancienne théorie de l’éther. Une formulation plus moderne, utilisant les équations de Maxwell, mais équivalente (!), est ensuite produite par Mie, puis complétée par Debye. La théorie résultante dite théorie de Mie, ou théorie de Lorenz-Mie (et ses variantes) constitue depuis lors une référence incontournable pour l’étude de la diffusion de la lumière (et autres ondes électromagnétiques) par des particules. Elle fournit, en particulier, la théorie rigoureuse et complète de l’arc-en-ciel.

D’autres théories, dites théories limites, peuvent être à la fois déduites comme cas particuliers de la théorie de Lorenz-Mie, ou établies indépendamment à partir de principes premiers spécifiques. Lorsque les objets diffusants sont petits devant la longueur d’onde, on retrouve la théorie de Rayleigh qui décrit le rayonnement d’un dipôle excité. Au contraire, lorsque les objets sont grands devant la longueur d’onde, la diffusion peut être décrite par l’optique géométrique en termes de réfraction et de réflexion. Dans cette approche géométrique stricto sensu, il convient d’ajouter la diffraction qui permet de modéliser le rayonnement vers l’avant.

Ces approches théoriques ont rendu possibles des applications dans des domaines variés. De nombreux phénomènes atmosphériques s’expliquent par la théorie de la diffusion de la lumière (souvent en incorporant les effets dits de diffusion multiple). L’arc-en-ciel, la gloire et les halos résultent de la diffusion de la lumière par des aérosols, des cristaux de glace ou des gouttelettes d’eau. La qualité visuelle de l’atmosphère (sa transparence) dépend de la nature et de la concentration de particules d’aérosols, ou des propriétés de gouttelettes de brouillard. Si l’on quitte notre planète, mentionnons que l’étude de la lumière diffusée par les atmosphères planétaires nous renseigne sur leur composition. La lumière dite zodiacale résulte de la diffusion par des poussières interplanétaires, et peut limiter les possibilités des télescopes spatiaux.

La turbidité des liquides et des solides (et parfois leur couleur) dépend de la manière dont la lumière qui les éclaire est diffusée, soit par les constituants moléculaires, soit par des particules en suspension. Plus généralement, la diffusion est essentielle à notre vision du monde puisque la lumière que nous percevons est, dans la plupart des cas, une lumière diffusée par des objets environnants, éclairés par des sources naturelles ou artificielles.

Les applications pratiques, au laboratoire et dans l’industrie, sont également très nombreuses. Il convient néanmoins ici de se focaliser sur les applications métrologiques. Une technique de mesure très répandue, la vélocimétrie laser-Doppler permet de mesurer la vitesse de particules transportées par un écoulement (et donc la vitesse de l’écoulement si les particules sont suffisamment petites, typiquement au-dessous du micromètre), par une analyse en fréquence du signal diffusé. Une extension plus récente, l’anémométrie-granulométrie phase-Doppler (nous dirons « la technique phase-Doppler ») permet d’accéder également à la taille des particules.

Dans ces méthodes, les particules sont éclairées par des faisceaux laser. La théorie de Lorenz-Mie (et ses variantes pour ondes planes) est donc souvent inadaptée à la compréhension théorique des instruments et à l’interprétation des signaux obtenus. Ce constat a conduit au développement de nouvelles théories, permettant d’appréhender la diffusion de faisceaux électromagnétiques arbitraires (faisceaux laser en particulier) par des particules, discutées dans cet article.

Le lecteur pourra se reporter pour les théories mentionnées aux références bibliographiques [1], [2], [3] et [4].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af3460


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LORENZ (L.) -   Lysbevaegelsen i og uden for en af plane Lysbølger belyst Kulge.  -  Vidensk. Selk. Skr., 6:1-62, 1890.

  • (2) - LORENZ (L.) -   Sur la lumière réfléchie et réfractée par une sphère transparente.  -  1898. Lib. Lehmann et Stage, Œuvres scientifiques de L. Lorentz, revues et annotées par H. Valentiner.

  • (3) - MIE (G.) -   Beiträge zur Optik Trüber Medien speziell kolloidaler Metallösungen.  -  Ann. der. Phys., 25:377-452, 1908.

  • (4) - DEBYE (P.) -   Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material.  -  Ann. der. Phys., 4(30):57-136, 1909.

  • (5) - GUIDT (J.B.), GOUESBET (G.), LE TOULOUZAN (J.N.) -   Accurate validation of visible infrared double extinction simultaneous measurements of particle sizes and number densities by using densely laden standard media.  -  Applied Optics, 29(7):1011-1022, 1990.

  • (6) - PURCELL...

1 Revues

Parmi les revues spécialisées publiant des articles sur la diffusion de la lumière, citons :

Applied Optics

Journal of Optical Society of America

Particle and Particle System Characterization

HAUT DE PAGE

2 Congrès

De nombreux congrès sont dédiés aux techniques de mesures optiques, en particulier à la vélocimétrie laser. Les actes contiennent invariablement des articles dédiés à la diffusion de la lumière, en particulier à la technique phase-Doppler. Le plus célèbre de ces congrès est probablement «The International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics» qui se tient, biannuellement, à Lisbonne, depuis 1982.

Un congrès spécifiquement dédié au diagnostic optique des particules (Optical Particle Sizing: Theory and Practice) a été créé à Rouen, en 1987 . Les congrès suivants ont eu lieu à Phoenix, Arizona (1990) , Keio, Japon (1993) et Nüremberg (1995) .

La littérature spécialisée sur les théories de Lorenz-Mie généralisées est accessible, presque dans son intégralité, en effectuant une recherche bibliographique sur les noms de J.P. Barton, G. Gouesbet, G. Gréhan, J.A. Lock. Un ouvrage intitulé « Electromagnetic Scattering of Shaped Beams (Generalized Lorenz-Mie theory)» by G. Gouesbet, G. Gréhan, B. Maheu et K.F. Ren explique les formalismes de manière détaillée. Cet ouvrage, récemment...

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