Bibliographie & annexes
Présentation
English
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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Présentation
Diffusion de la lumière par une surface faiblement rugueuse
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4. Conclusion
La diffusion lumineuse demeure un outil clé pour nombre d'opticiens de précision. En particulier, elle fournit un instrument de métrologie directement lié à l'application recherchée. Elle confère à l'utilisateur le bénéfice de la simplicité : une mesure de diffusion angulaire, jointe au calcul d'un facteur optique, donne accès au spectre de rugosité de la surface ou de permittivité du volume.
La rugosité est toujours relative à une bande passante qu'il faut préciser ; cette condition est nécessaire à toute intercomparaison entre différents instruments de métrologie. La mesure optique en champ lointain est de nature macroscopique et donne accès aux basses fréquences responsables du flux diffusé, pendant qu'une mesure à sonde locale donne accès aux hautes fréquences plus proches de la structure atomique. Les bandes passantes peuvent être élargies en modifiant la longueur d'onde d'éclairement (diffusion) ou le pas d'échantillonnage (AFM).
Au-delà de la métrologie de rugosité, l'outil diffusion offre une scrutation en volume des composants, fort utile à la caractérisation des systèmes interférentiels multicouches (interfaces et volumes multiples, coefficients d'intercorrélation…) et autres échantillons épais, solides ou liquides… Dans le cas le plus général où diffusent simultanément surfaces et volumes, il faut arriver à identifier l'origine de la diffusion ; les techniques d'ellipsométrie sur lumière diffuse [12] [13] répondent directement à ce problème et peuvent s'étendre à l'imagerie sélective en milieu diffusant [16].
Enfin, les modèles perturbatifs ici présentés se généralisent immédiatement aux filtres et guides multicouches [4] [5] [16], microcavités luminescentes [6] [7]. Lorsque nécessaire [17], des modèles rigoureux peuvent être développés sur la base de méthodes différentielle [18] ou intégrale, modale ou par éléments finis… Il faut alors pouvoir gérer des temps de calcul qui deviennent rapidement prohibitifs pour les systèmes tridimensionnels.
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(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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