Contexte
L’interaction de la lumière (solaire, laser) avec une particule ou une collection de particules engendre deux phénomènes, la “diffusion” et “l’absorption” de la lumière par ce même objet. Ces deux phénomènes sont induits par un changement local des conditions de propagation de la lumière, définit par un indice optique variable
spatialement (selon la forme de l’objet irradié) et en fonction de sa composition. La suie ou encore le carbone noir sont des matériaux très absorbants mais qui diffusent aussi très efficacement la lumière.
Pour quantifier ces propriétés radiatives on définit ce qu’on appelle des “sections efficaces”. Ces sections efficaces d’absorption et de diffusion dépendent de la taille, de la forme, de la composition mais aussi de la longueur d’onde de la source lumineuse.
Au sein du département optique et laser, nous nous intéressons à l’interaction de la lumière avec des agrégats de nanoparticules et en particulier aux particules de suie. La modélisation des propriétés radiatives de ces particules a un impact particulièrement important pour la modélisation du rayonnement dans des flammes de combustion ou dans le rayonnement atmosphérique (la présence de suie dans l’atmosphère est la deuxième cause anthropologique du réchauffement climatique). Elle impact également l’interprétation des signaux récoltés par les diagnostics en développement.
Méthodologie
Encore aujourd’hui, de nombreux travaux font l’hypothèse de sphéricité des particules de suie pour prédire leur capacité d’absorption ou de diffusion de la lumière. Cependant, cette hypothèse est vite apparue trop forte. Depuis le début des années 1990, des modèles analytiques simples comme la RDGFA (Rayleigh Debye Gans Theory for Fractal Aggregates) ont été proposé afin de tenir compte de la morphologie fractale des agrégats de nanoparticules. Mais depuis l’avènement du numérique et de l’augmentation des ressources de calculs, de nouveaux outils numériques permettant de calculer l’interaction lumière-particules sont apparues. On s’intéresse ici en particulier à l’approximation dipolaire discrète (DDA) et à la théorie généralisée de Mie (T-Matrix/GMM).
Notre objectif est de parvenir à améliorer la RDGFA en mettant cette théorie à l’épreuve des méthodes exactes (DDA/T-Matrix/GMM). Et pour y parvenir, nous essayons de comprendre le rôle joué par chacun des paramètres (morphologiques, indice optique, longueur d’onde…) sur ce qui cause la déviation des sections efficaces prédites par la théorie analytique (RDG-FA) par rapport aux sections efficaces réelles.
On s’intéresse notamment au rôle joué par ces différents paramètres sur le champ électrique interne (voir illustration ci-contre) et diffusé par ces particules (information que le calcul numérique de type DDA peut nous fournir en résolvant les équations de Maxwell). Cette analyse n’est possible que si les calculs se font sur la base d’une génération réaliste et physiquement consistante des agrégats de particules. L’impact de ces développement est important pour l’interprétation des signaux issus de l’interaction de la lumière laser avec ces particules.
Thèse en cours sur cette thématique : Clément Argentin
Projet : ANR ASTORIA