Bibliographie & annexes
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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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Mesures et applications de la diffusion : analyse multiéchelle
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2. Cas de la diffusion de volume
La diffusion de volume (figure 6) résulte des fluctuations aléatoires de l'indice de réfraction des milieux autour d'une valeur moyenne. Elle permet, par exemple, de visualiser la trace ou le trajet d'un faisceau laser en espace libre, mais elle est plus connue sous forme de brouillard ou de bleu du ciel. D'un point de vue électromagnétique, les calculs à mener sont différents, mais conduisent sous certaines hypothèses à des résultats très similaires à la diffusion de surface. En particulier, l'intensité diffusée est proportionnelle au spectre de permittivité du volume diffusant, et les modes de polarisation linéaire sont conservés dans le plan d'incidence.
2.1 Paramètres descriptifs de l'hétérogénéité du volume
L'objet diffusant est, cette fois, décrit comme un substrat semi-infini (figure 7) dont les variations de permittivité
sont aléatoires, soit :
avec :
-
- ( r , z ),
- e1 :
- permittivité moyenne du milieu substrat.
On notera que la fonction
décrit les fluctuations relatives Δ n/n 1 de l'indice de réfraction n...
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