Caract´ erisation 3D d’un nuage de particules par imagerie interf´ erom´

Caract´erisation 3D d’un nuage de particules par
imagerie interf´erom´etrique de Fourier : positions
relatives 3D, tailles et indices de r´efraction
Paul Briard
To cite this version:
Paul Briard. Caract´erisation 3D d’un nuage de particules par imagerie interf´erom´etrique de
Fourier : positions relatives 3D, tailles et indices de r´efraction. Other. INSA de Rouen, 2012.
French. <NNT : 2012ISAM0023>.<tel-00846098>
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Submitted on 18 Jul 2013
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ÉCOLE DOCTORALE SPMII
THÈSE présentée par :
Paul Briard
soutenue le : 05 décembre 2012
pour obtenir le grade de : Docteur en sciences physiques
Discipline/ Spécialité : Physique/Optique
Caractérisation 3D d’un nuage de
particules par imagerie interférométrique de
Fourier : positions relatives 3D, tailles et
indices de réfraction
THÈSE dirigée par :
Mr. GREHAN Gérard DR2 CNRS, Rouen
RAPPORTEURS :
Mr TAYLOR A.K.M.P Professeur, Imperial College of London
Mr. PICART Pascal Professeur, Université du Maine
JURY :
Mme FOURNIER Corinne Maitre de conférences, Université Jean Monnet de Saint-Etienne
Mr MEES Loïc Chargé de recherche CNRS, LMFA de Lyon
Mr RENOU Bruno Professeur, INSA de Rouen
Mr LEBRUN Denis Professeur, Université de Rouen
Mr MEUNIER-GUTTIN-CLUZEL Siegfried Maître de conférences, INSA de Rouen

I
Il n'existe que deux choses infinies, l'univers et la bêtise humaine... mais pour
l'univers, je n'ai pas de certitude absolue. Albert Einstein

II
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Gérard Gréhan, mon directeur de thèse, qui m’a fait
confiance pour mener ce travail de thèse à bien. Il lui a fallu beaucoup de patience et je ne
compte plus les corrections d’articles ou de manuscrit de thèse qu’il a réalisé. Un grand merci
également pour m’avoir permis de voyager !
Je remercie Damien Bonin, qui a observé expérimentalement les figures d’interférences
créées par des gouttes, ce qui a poussé notre groupe d’optique à s’y intéresser et à me faire
travailler sur ce sujet. Bonne continuation à toi pour la suite.
Je remercie Siegfried Meunier-Guttin-Cluzel et Annie Garo, mes voisins de bureau, pour les
nombreuses discussions que nous avons eu, l’aide qu’ils m’ont apporté et pour leur bonne
humeur quotidienne !
Je remercie Stéphane Grospiron qui a été l’enseignant du Lycée Fenelon (Elbeuf) qui m’a
donné le gout de la physique et de l’expérimentation.
Je remercie tous mes collègues, toujours prêts à aider, en particulier les membres du service
informatique, de l’atelier, du service électronique, et de l’administration du Coria.
Et enfin un très très grand merci aux amis que je me suis fait au laboratoire Coria, pour les
discutions autour d’un café ou d’une bière, pas toujours scientifiques mais toujours
enrichissantes, et pour toutes les soirées que nous avons pu passer ensemble : Clément (et bon
courage au Canada ), Huan Huan, Fon et David, Ngo, David, Nico, Prew, Jan, Mechline,
Alvin, Pradip, Arnab, ceux que j’ai oublié ici, et les gens que vous m’avez fait rencontré, de
nationalité thaïlandaise, vietnamienne, chinoise, indienne, coréenne et j’en passe.
Grace à vous ou à cause de vous, ces années sont passées trop vite.

III
Résumé
Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives
3D, tailles et indices de réfraction d’un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser
plan pulsé (typiquement 10 ns): l’imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre
de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes, transparentes et isotropes. Lorsque
ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d’ondes lumineuses
sphériques qui interférent entre elles. L’enregistrement des franges d’interférences et leur
analyse par transformation de Fourier peut permettre d’accéder aux caractéristiques des
particules. Dans ce mémoire, je décris l’influence des caractéristiques de particules sur les
représentations spectrales des figures d’interférences crées par les couples de particules
éclairées dans l’espace de Fourier 2D. Les figures d’interférences sont simulées
numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j’aborde le problème inverse en
montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me
servant de l’optique géométrique et/ou du filtrage spatial par transformation de Fourier
Mots clés : Théorie de Lorenz-Mie, optique géométrique, indices de réfraction, diamètres,
positions 3D, métrologie/diagnostique optique, interférométrie.