Light Scattering in the Rainbow Region of a Large Particle by Vectorial Complex Ray Model and Physical Optics
Diffusion de la lumière par de grosses particules au voisinage d'arc-en-ciel par le VCRM et l'optique physique
Résumé
Rainbow is one of the most beautiful phenomena in nature, the physical principle for its formation ever attracted many scientists. The particle parameters like size, shape and temperature can be measured by its scattering diagrams in the neighborhood of rainbow angles. However, the precise prediction of these scattering patterns is not an easy task, especially for large non-spherical particles. The aim of this thesis is to solve this problem by the combination of the Vectorial Complex ray model (VCRM) and physical optics (PO).
The fundamental concepts and laws of geometrical (GO) and physical optics are firstly introduced and examined in the purpose for their application to the light scattering of an infinite circular cylinder and a sphere. GO permits to calculate the amplitude and the phase of all the emergent rays in far field but it fails in prediction of the scattering in forward direction and near the rainbow angles. PO can remedy the scattering in the forward direction by considering the particle as a disk but the rectification of the scattering near the rainbow angles has been an arduous topic since a long time.
VCRM developed in the laboratory can predict the amplitude and the phase of a ray at any position for a particle of any shape of smooth surface. The essentials of VCRM are then presented and applied to the scattering of an infinite elliptical cylinder and an ellipsoid. Since VCRM is still a ray model the flaw of the intensity discontinuity at the rainbow angle persists.
Then, the Airy theory of rainbow has been examined using our method VCRM+PO. It is shown that by replacing the constant amplitude and cubic phase function in Airy theory by the those calculated with VCRM, ourmethod can predict very precisely the scattering patterns in the neighborhood of rainbow in perpendicular or parallel polarization for a spherical particle from 10 µm to 1 mm (illuminated by visible light) when compared with the rigorous Debye theory.
The method VCRM+PO has been applied finally to the prediction of the scattering patterns in the rainbow region of a non-spherical particles like infinite elliptical cylinder and ellipsoid. The convergence effect and the cusp position as function of the vertical radius of the particle have been highlighted.
Therefore, VCRM+PO is a powerful method for light scattering by large particles. It can also be used in the scattering of the electromagnetic wave or acoustics wave.
L’arc-en-ciel est l’un des plus beaux phénomènes de la nature. Le principe de sa formation a toujours attiré de nombreux scientifiques. Les propriétés des particules tels que la taille, la forme et la température peuvent être mesurés par les diagrammes de diffusion au voisinage des angles d’arc-en-ciel. Cependant, la prédiction précise ces propriétés et les diagrammes de diffusion n’est pas une tâche facile, surtout pour les grosses particules non-sphériques. Le but de cette thèse est de chercher une solution à ce problème par la combinaison du modèle de rayons complexes vectoriels (Vectorial Complex ray model - VCRM en anglais) et de l’optique physique (OP), appelé VCRM+OG. Les concepts et les lois fondamentaux de l’Optique Géométrique (GO) et OP sont d’abord introduits et examinés dans le but de leur application à la diffusion de la lumière. The OG permet de calculer l’amplitude et la phase de tous les rayons émergents au champ lointain mais échoue pour la prédiction de la diffusion dans la direction avant et près des angles d’arc-en-ciel. OP peut remédier à la diffusion avant en considérant la particule comme un disque mais la rectification de la diffusion près des angles d’arc-en-ciel est un sujet ardu depuis longtemps. Le VCRM développé au laboratoire peut prédire l’amplitude et la phase d’un rayon à n’importe quelle position pour une particule de forme quelconque de surface lisse. Les éléments essentiels du VCRM sont présentés et appliqués à la diffusion dans un plan de symétrie d’un cylindre elliptique infini et d’un ellipsoïde pour illustrer la démarche, ses avantages et ses inconvénients. Comme le VCRM est un modèle de rayon, le défaut de la discontinuité d’intensité à l’angle de l’arc-en-ciel persiste. Ensuite, la théorie d’Airy de l’arc-en-ciel a été examinée en utilisant notre VCRM+PO. Il est montré qu’en remplaçant l’amplitude constante et la fonction de phase cubique de la théorie d’Airy par celles calculées avec VCRM, notre méthode peut prédire très précisément les diagrammes de diffusion au voisinage de l’arc-en-ciel en polarisation perpendiculaire ou parallèle pour une particule sphérique de 10 ¹m à 1 mm (éclairée par la lumière visible)par rapport à la théorie rigoureuse de Debye. La méthode VCRM+PO a été appliquée finalement à la prédiction des diagrammes de diffusion au voisinage de l’arc-en-ciel d’une particule non sphérique comme un cylindre elliptique infini et un ellipsoïde. L’effet de convergence et la position des cuspides en fonction du rayon vertical de la particule ont été mis en évidence. On peut conclure donc que VCRM+PO est une méthode puissante pour la diffusion de la lumière par de grosses particules. Elle peut également être utilisée pour la diffusion d’une onde électromagnétique ou d’une onde acoustique.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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