Thèse présentée pour obtenir le grade de
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Description

Niveau: Supérieur

  • dissertation


Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Sciences Pour l'Ingénieur - Photonique par Sylvain Lecler Etude de la diffusion de la lumière par des particules sub-microniques Soutenue publiquement le 18 novembre 2005 Membres du jury Directeur de thèse : M.Patrick Meyrueis, Professeur, ULP (Strasbourg) Rapporteur interne : Charles Hirlimann, Directeur de Recherche, ULP (Strasbourg) Rapporteur externe : Frédérique De Fornel, Directrice de recherche, UB (Dijon) Rapporteur externe : Pinar Mengüc, Professor, Univ. of Kentucky (Lexington USA) Examinateur : Yoshitate Takakura, HDR, ULP (Strasbourg) Laboratoire des Systèmes photoniques Boulevard Sébastien BRANT BP 10413 Phone : F- 67 412 Illkirch Cedex - France Fax :

  • scattering phase

  • translation addition theorem

  • light scattering

  • micro-spherical lens

  • general translation matrixes

  • vectorial functions

  • membres du jury directeur de thèse

  • laboratory boulevard


Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 novembre 2005
Nombre de lectures 68
Langue Français
Poids de l'ouvrage 5 Mo

Extrait

Thèse
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur
Strasbourg I
Discipline : Sciences Pour l’Ingénieur - Photonique
par Sylvain Lecler
Etude de la diffusion de la lumière
par des particules sub-microniques
Soutenue publiquement le 18 novembre 2005
Membres du jury
Directeur de thèse : M.Patrick Meyrueis, Professeur, ULP (Strasbourg)
Rapporteur interne : Charles Hirlimann, Directeur de Recherche, ULP (Strasbourg)
Rapp externe : Frédérique De Fornel, Directrice de recherche, UB (Dijon)
Rapporteur : Pinar Mengüc, Professor, Univ. of Kentucky (Lexington USA)
Examinateur : Yoshitate Takakura, HDR, ULP (Strasbourg)
Laboratoire des Systèmes photoniques
Boulevard Sébastien BRANT http://lsp.u-strasbg.fr
BP 10413 Phone : +33(0)3 90 24 46 14
F- 67 412 Illkirch Cedex - France Fax : 90 24 46 19Thesis
to obtain the
Natural Philosophy Degree
of Louis Pasteur University - Strasbourg I
by Sylvain Lecler
Light scattering by sub-micrometric particles
thPublic presentation the 18 November 2005
Jury members
Thesis supervisor : M.Patrick Meyrueis, Professor, ULP (Strasbourg)
Internal examinator: Charles Hirlimann, Research Director, ULP (Strasbourg)
External Frédérique De Fornel, Research UB (Dijon) Pinar Mengüc, Professor, Univ. of Kentucky (Lexington, USA)
Scientific adviser : Yoshitate Takakura, HDR, ULP (Strasbourg)
Photonics Systems Laboratory
Boulevard Sébastien BRANT http://lsp.u-strasbg.fr
BP 10413 Phone : +33(0)3 90 24 46 14
F-67 412 Illkirch Cedex - France Fax : 90 24 46 19Contents
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Keywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figures and tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Résumé long en français . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1 Introduction 28
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2 Light scattering: short history and background . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3 Necessity of understanding light-matter interactions . . . . . . . . . . . 33
1.4 Objective and outline of the dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Light scattering 35
2.1 Single and independent scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Rayleigh scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3 The Lorenz-Mie theory: a summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4 Multiple scattering and aggregates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6 Electromagnetic solvers: libraries and comments . . . . . . . . . . . . . 49
2.7 Comments on the choice of the T-matrix approach . . . . . . . . . . . . 54
3 Light scattering by spheres via T-matrix approach 57
3.1 Description of the problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Scattering by a single sphere : the Lorenz-Mie theory . . . . . . . . . . 58
3.3 The integral formulation of the electromagnetic solution . . . . . . . . . 65
3.4 A demonstration of T-matrix algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.5 Convergence and limitations of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.6 Evaluation of computing time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.7 Scattering phase function and cross sections . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.8 Analysis of the polarization response of an aggregate . . . . . . . . . . 82
4 Application: The Photonic Jet 86
4.1 A photonic jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Focusing with a micro-spherical lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 High intensity concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3CONTENTS
4.4 Subwavelength focusing with a dielectric sphere . . . . . . . . . . . . . 93
4.5 Basic properties of the photonic jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.6 Near field effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.7 Applications of the photonic jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5 Bi-spheres couplings 104
5.1 Transition between single and multiple scattering . . . . . . . . . . . . 104
5.2 Circular Young slits for perfectly conducting
spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3 Circular Young slits for dielectric spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4 Perot-Fabry and shadow effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6 Conclusions and perspectives 117
6.1 The main contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3 Modelling improvements for dense media of particles . . . . . . . . . . 120
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Webography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
A Electromagnetism 134
A.1 The birth of electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
A.2 Maxwell equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.3 The Green function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
B Spherical vectorial functions 138
B.1 Electro-Magnetic waves in Spherical coordinates . . . . . . . . . . . . . 138
B.2 Bessel functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
B.3 Legendre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
B.4 Electromagnetic field in the Rayleigh case . . . . . . . . . . . . . . . . 143
C Translation matrix 144
C.1 Translation addition theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
C.2 Wigner 3-J symbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
C.3 Translation along the z-axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
C.4 General translation matrixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
D T-matrix algorithm 149
D.1 Incident coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
D.2 T-matrix for 2 spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
D.3 Study of an indeterminate case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
D.4 Calculation of the magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Micrometric particles light scattering 4/163 PhD, Sylvain Lecler 2002-2005CONTENTS
E Matlab Programs 153
E.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
E.2 Algorithm structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
E.3 Input and output of the program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
E.4 Graphic user interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Micrometric particles light scattering 5/163 PhD, Sylvain Lecler 2002-2005CONTENTS
Acknowledgments
I would like to thank the following people:
Yoshitate Takakura for having accepted to spend time following my scientific work
through and for the scientific method he has tried to teach me.
Patrick Meyrueis for having made my PhD work possible and for the material that
his laboratory has trustfully placed at my disposal.
Pinar Mengüc, Frédérique de Fornel, Charles Hirlimann for having accepted
to be in my jury of thesis and to consider my work.
Patrice Twardowski for the long and interesting discussions we had.
Jean-Claude Worms for having made me aware of the ICAPS project.
The PhD students of the laboratory for having helped me with the process that
we have tried to initiate in the lab and for their liking.
Alexis Bony for always being in a good mood and for putting up with being with me
in the same office.
Vinvent Francois and Sarah T. for having helped me to proofread this thesis.
Thierry Engel and Joel Fontaine for the teaching that they permitted me to do in
the INSA of Strasbourg.
My parents for their support and for having made my university education possi-
ble.
Keywords
Light scattering, T-matrix, multipole method, spherical vectorial functions, near-field,
sub-wavelength focusing, electromagnetic couplings, Mie, spheres, aggregate of spheres,
photonic jet.
Micrometric particles light scattering 6/163 PhD, Sylvain Lecler 2002-2005CONTENTS
Abstract
The objective of this work has been to contribute to the physical understanding of in-
teractions of visible light with sub-micrometric spherical particles, in particular in the
near field. Two different phenomena have been studied, the possibility to concentrate
light in a photonic jet and the electromagnetic couplings bet

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