Numerical Simulation of Light Scattering of a pendent droplet by Statistics Vectorial Complex Ray Model
Simulation Numérique de Diffusion de la lumière par une Goutte Pendante par Tracé de Rayons Vectoriels Complexes Statistiques
Résumé
This thesis is devoted to the numerical simulation of the scattering of plane wave
by a pendent droplet in three dimensions using the Statistic Vectorial Complex Ray
Model(SVCRM), which is based on the Vectorial Complex Ray Model (VCRM) developed
in the laboratory CORIA.
Optical metrology is widely used in many domains of scientific research due to its
advantages of being fast and non-intrusive. Numerous measurement techniques have
been developed to characterize the size, the temperature, ... of the particles. But most
of them are limited to the particles of simples shape because of the lack of theoretical
model to predict the relation of the scattered light with the properties of the scatterers,
especially for the large non-spherical particle.
To overcome this obstacle, the Vectorial Complex Ray Model (VCRM) has been
developed. In this model, the wave front curvature is introduced as a new property
of light rays. The divergence and the convergence of a wave on the curved surface of
the particle can be described easily by the wave front equation. So it can be applied
to the scattering of light by large particles of any shape with smooth surface. The
VCRM has been validated experimentally and numerically in the cases of scattering in
a symmetric plane of scatterer. In order to get over the problem of 2D interpolation
with irregular data, Statistic Vectorial Complex Ray Model (SVCRM) is proposed. But
the interference phenomena is not considered in its initial version.
In this thesis, the method to count the phase due to the optical path, the Fresnel
coefficients and the focal liens are carefully studied for a non-spherical particle in the
framework of SVCRM. It is then applied to the simulation of the three dimension scattering
of a pendent droplet. The scattering patterns around the first and the second
order rainbows, in the forward direction are exampled for four typical shapes of pendent
droplets obtained experimentally. The results are found in good agreement with
experimental scattering patterns. The scattering mechanism and the contribution of
different orders of rays are also investigated.
Cette thèse est consacrée à la simulation numérique de la diffusion d’une onde plane
par une gouttelette pendante tridimensionnelle à l’aide du modèle de Tracé de Rayons
Vectoriels Complexes Statistiques (TRVCS), basé sur modèle de le Tracé de Rayons
Vectoriels Complexes (TRVC) mis au point par le laboratoire CORIA.
La métrologie optique est largement utilisée dans de nombreux domaines de la
recherche scientifique grâce â ses avantages d’être rapide et non intrusive. De nombreuses
techniques de mesure ont été développées pour caractériser la taille, la température,
... des particules. Mais la plupart d’entre elles sont limitées aux particules
de forme simple en raison de l’absence de modèle théorique permettant de prédire la
relation entre la lumière diffusée et les propriétés des diffuseurs, en particulier pour les
grosses particules non sphériques.
Pour surmonter cet obstacle, TRVC a été développé. Dans ce modèle, la courbe
du front d’onde est introduite comme une nouvelle propriété des rayons lumineux. La
divergence et la convergence d’une onde sur la surface courbée de la particule peuvent
être facilement prédites par l’équation du front d’onde. Ainsi, il peut être appliqué à
la diffusion de la lumière par de grosses particules de forme quelconque et de surface
lisse. La TRVC a été validée expérimentalement et numériquement dans les cas de
diffusion dans un plan de diffusion symétrique. Afin de contourner le problème de
l’interpolation 2D avec des données irrégulières, nous proposons un modèle de TRVCS.
Mais le phénomène d’interférence n’est pas pris en compte dans sa version initiale.
Dans cette thèse, la méthode de calcul de la phase due au chemin optique, aux coefficients
de Fresnel et aux liens focaux sont soigneusement étudiés pour une particule non
sphérique dans le cadre de TRVCS. Il est ensuite appliqué à la simulation de la diffusion
en trois dimensions d’une gouttelette pendante. Les figures de diffusion aux alentour
des arcs-en-ciel du premier et du second ordres, dans la direction avant, sont simulées
pour quatre formes typiques de gouttelettes pendantes obtenues expérimentalement.
Les résultats sont en bon accord avec les figures de diffusion expérimentaux. Le mécanisme
de diffusion et la contribution de différents ordres de rayons sont également
étudiés.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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