Diffusion de la lumière en trois dimensions par des grosses particules non-sphériques par le modèle de Tracé de Rayons Vectoriels Complexes

In the framework of vectorial complex ray model (VCRM), this thesis aims to solve the three-dimensional (3D) scattered intensity of plane wave or shaped beam by a large particle of any smooth surface. The main work and achievements are summarized as follows: As the first step, the calculation method based on VCRM for the 2D scattered intensity of plane wave by a cylinder of any smooth cross section is proposed. And the proposed method is applied to solving the scattered intensity of plane wave by a composite elliptical cylinder (CEC), whose cross section can take various shapes ranging from circular, elliptical to highly-deformed. The effects of shape deformation, refractive index and incident direction on the scattering fields, especially on the rainbows, are quantitatively analyzed. Based on VCRM, the ray tracing, the phase shifts due to focal lines and optical path, the divergence and convergence of wavefront, and the cross polarization in 3D scattering are addressed. An interpolation algorithm based on triangulation has been developed which permits to take into account the interference of 3D scattered rays, thus breaking through the bottle-neck problem for VCRM in the extension to 3D scattering. The proposed method, which is based on VCRM while allows to calculate 3D scattering field, is applied to simulating the 3D scattered intensity of plane wave by a real liquid jet. Furthermore, taking advantage of the ability of VCRM for interpreting the scattering mechanism, a systematic analysis is made for the scattered light of different orders, in regard to their separation or interference in 3D space. An experiment is carried out to verify the proposed method for 3D scattering and to examine the simulated results. In the framework of VCRM, a ray description method for incident elliptical Gaussian beam is proposed, thus providing one feasible way to calculate the 3D scattered intensity of elliptical or circular Gaussian beam by a large particle of any smooth surface. The calculation for the 3D far-field scattered intensity of elliptical Gaussian beam by a real liquid jet is successfully achieved. The scattering fields near the first- and second-order rainbows for incident beams of different divergence angles are investigated in 3D space. These results as well as the proposed method open a promising way to characterize finely the structure of a real liquid jet and particles of other complex surfaces.Cette thèse est dédiée à une étude de diffusion de la lumière dans l’espace (3D) d’une onde plane ou d’un faisceau laser, dans le cadre du modèle tracée de rayons vectoriels complexes (VCRM Vectorial Complex Ray Model en anglais), par une grosse particule de surface lisse. Les principaux travaux réalisés se résument comme suit : Dans un premier temps, une méthode de calcul pour la diffusion 2D de l’onde plane par un cylindre infini de section quelconque est proposée. Cette méthode est ensuite appliquée à la simulation de l’intensité diffusée de l’onde plane par un cylindre elliptique composé (CEC), dont la section est formée par deux demi-ellipses de paramètres différents. Les effets de la déformation, de l’indice de réfraction et de la direction de l’onde incidente sur les champs diffusés, en particulier les positions des arcs-en-ciel ainsi que leurs dispositions de l’intensité, sont analysées quantitativement. Puis, les travaux se sont étendus à la diffusion dans l’espace (3D) d’une onde plane par une particule de forme quelconque en tenant en compte les déphasages dus aux lignes focales et au chemin optique, la divergence et la convergence du front d’onde, et la polarisation croisée. Un algorithme d’interpolation basé sur la triangulation est développé qui permet de prendre en compte l’inférence des rayons diffusés dans l’espace. La méthode proposée pour la diffusion 3D est appliquée à la simulation de l’intensité diffusée d’une onde plane par un jet de liquide réel. Ceci a permis d’interpréter le mécanisme de diffusion dans l’espace: l’analyse de mode de diffusion, la séparation ou l’interférence de différents ordres. Une expérience est menée pour vérifier la méthode de calcul et pour examiner les résultats simulés. Afin de prendre en compte la forme du faisceau incident, une méthode de description d’un faisceau gaussien elliptique incident par rayons est proposée, qui permet de calculer l’intensité diffusée en 3D d’un faisceau gaussien circulaire ou elliptique par une grosse particule. Le calcul de l’intensité diffusée en champ lointain d’un faisceau gaussien elliptique par un jet de liquide réel est réalisé avec succès. Les champs de diffusion aux alentours des arcs-en-ciel du premier et du second ordre pour les faisceaux incidents de différents angles et divergences sont étudiés