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RÉSUMÉ
L’objet de cet article est de fournir des outils théoriques et expérimentaux pour apprendre à utiliser les phénomènes de diffusion lumineuse, peu enseignés à ce jour. Pourtant, la diffusion lumineuse demeure un outil clé, et régit un grand nombre de phénomènes d’optique, dont l’imagerie et la vision. Est proposée une approche perturbatrice caractéristique de milieux aléatoires (surfaces faiblement rugueuses et volumes), responsables d’une diffusion faible devant le flux incident. Les différents cas de diffusion de la lumière sont analysés (paramètres, amplitude de l’onde et intensité) et illustrés d’exemples numériques. Puis les mesures et les applications de la diffusion de la lumière sont abordées à travers une analyse multiéchelle.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Claude AMRA : Directeur de l'Institut Fresnel - Directeur de recherche au CNRS
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Carole DEUMIÉ : Professeur à l'École centrale de Marseille
INTRODUCTION
Si les lois de Descartes (n sin i = constante) sont couramment enseignées dès le premier apprentissage de l'optique, elles ne s'appliquent qu'à un nombre limité de surfaces dites à faible rugosité. À l'inverse, les phénomènes de diffusion lumineuse, qui régissent une grande majorité de phénomènes dont l'imagerie et la vision, sont encore peu enseignés. L'objet de cet article consiste à conférer, aux ingénieurs et chercheurs non spécialistes, des outils théoriques et expérimentaux pour appréhender et utiliser avec pragmatisme ces phénomènes.
On détaillera dans ce document une approche perturbative caractéristique de milieux aléatoires (surfaces et volumes) responsables d'une diffusion faible devant le flux incident ; cette approche présente de multiples intérêts :
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la modélisation est simple à mettre en œuvre, avec des temps de calcul réduits qui autorisent un traitement tridimensionnel et spectral ;
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le cas des volumes diffusants se traite de façon similaire à celui des surfaces rugueuses ;
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la généralisation aux structures planaires multicouches (filtres interférentiels et guides d'onde) est immédiate ;
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d'un point de vue électromagnétique, le problème de la diffusion dans les systèmes multicouches est identique à celui des microcavités luminescentes ;
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enfin, l'approche perturbative met en évidence des expressions analytiques fort utiles pour guider l'expérimentateur ou le théoricien vers de nouvelles applications ; une fois l'application identifiée, on peut avoir recours à des modèles rigoureux pour établir un domaine de validité et gagner en précision.
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3. Mesures et applications de la diffusion : analyse multiéchelle
3.1 Mesure de diffusion
La mesure de diffusion fait en général appel à des techniques d'ingénierie classique, qui se complexifient à mesure que les niveaux à mesurer décroissent [10].
Les sphères intégrantes sont fort pratiques dans la mesure où elles donnent directement accès à la diffusion totale de l'échantillon, intégrée dans tout l'espace :
Leur principe est basé sur l'utilisation d'une sphère recouverte sur sa surface intérieure d'un matériau non absorbant et diffusant de manière lambertienne. Dans ces conditions, le rayonnement diffusé est isotrope et homogène à l'intérieur de la sphère, de sorte qu'une mesure en un point arbitraire délivre une grandeur proportionnelle à la diffusion totale de l'échantillon. Un schéma de principe est donné en figure 11. Différentes ouvertures peuvent être envisagées sur la surface de la sphère, selon que la surface de l'échantillon à caractériser est polie (existence d'un faisceau réfléchi spéculaire) ou non (réflexion diffuse uniquement). On accède ainsi à une mesure spectrale (en fonction de la longueur d'onde) en un temps réduit.
Toutefois, ce type de mesure, si elle permet un accès immédiat à la valeur intégrée de la rugosité ou de la diffusion, ne permet pas d'extraire le spectre de rugosité de l'échantillon, ou de déceler des pics, voire une anisotropie de la diffusion. Pour cela, il est important de pouvoir réaliser une mesure résolue angulairement. L'échantillon est alors éclairé par un faisceau laser, sous incidence normale ou oblique. L'intensité diffusée est collectée dans chaque direction ( q, f ) de l'espace avec un détecteur mobile (figure 12).
Il existe de nombreux diffusomètres dans la communauté ; à titre d'illustration, nous détaillons brièvement ci-dessous...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - COULON (G.) - Imagerie de surface des polymères : microscopie à force atomique. - [AM 3 280] Base documentaire « Plastiques et Composites » (2000).
-
(2) - RIVOAL (J.-C.), FRETIGNY (C.) - Microscopie à force atomique (AFM). - [R 1 394] Base documentaire « Mesures mécaniques et dimensionnelles» (2005).
-
(3) - CALLET (P.) - Couleur et apparence visuelle. Le transparent et l'opaque. - [AF 3 252] Base documentaire « Physique-Chimie » (2004).
-
(4) - GAY (J.-M.) - Structure de surface des solides. - [A 1 365] Base documentaire « Physique-Chimie » (1996).
-
(5) - VAN LABEKE (D.) - Microscopie optique en champ proche. - [P 862] Base documentaire «Techniques d'Analyse » (1998).
-
(6) - RAPHET (B.) - États...
ANNEXES
Références du texte
AMRA (C.), GREZES-BESSET (C.), BRUEL (L.) - Comparison of surface and bulk scattering in optical multilayers. - Appl. Opt., 32, p. 5492 (1993).
AMRA (C.), APFEL (J.H.), PELLETIER (E.) - Role of interface correlation in light scattering by a multilayer. - Appl. Opt., 31, p. 3134 (1992).
AMRA (C.) - First-order vector theory of bulk scattering in optical multilayers. - J. Opt. Soc. Am. A, 10, p. 365 (1993).
AMRA (C.) - Light scattering from multilayer optics. I . Tools of investigation. - J. Opt. Soc. Am. A, 11, p. 197 (1994).
AMRA (C.) - Light scattering from multilayer optics. II . Application to experiment. - J. Opt. Soc. Am. A, 11, p. 211 (1994).
AMRA (C.), MAURE (S.) - Electromagnetic power provided by sources within multilayer optics : free-space and modal patterns. - J. Opt. Soc. Am. A, 14, p. 3102-3113 (1997).
AMRA (C.), MAURE (S.) - Mutual coherence and conical pattern of sources optimally excited within multilayer optics. - J. Opt. Soc. Am. A, 14, p. 3114-3124 (1997).
AMRA (C.), ALBRAND (G.), ROCHE (P.) - Theory and application of antiscattering single layers : antiscattering antireflection coatings. - Appl. Opt., 25, p. 2695 (1986).
AMRA (C.), DEUMIÉ (C.), GILBERT (O.) - Elimination of polarized light scattered by surface roughness or bulk heterogeneity. - Opt. Express, 13, p. 10854-10864 (2005).
AMRA (C.), TORRICINI (D.), ROCHE (P.) - Multiwavelength (0.45-10.6 Mum angle-resolved scatterometer of how to extend the optical window. - Appl. Opt., 32, p. 5462 (1993).
MAURE (S.), ALBRAND (G.), AMRA (C.) - Low-level scattering and localized defects. - Appl. Opt., 35 , p. 5573-5582 (1996).
DEUMIÉ (C.), GIOVANNINI (H.), AMRA (C.) - Ellipsometry of light scattering from multilayer coatings. - Appl. Opt., 35, p. 5600-5608 (1996).
GILBERT (O.), DEUMIÉ (C.), AMRA (C.) - Angle-resolved ellipsometry of scattering patterns from arbitrary surfaces and bulks. - Opt. Express, 13, p. 2403-2418...
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