Statics and dynamics of ellipsoidal particles in laser beams
Statique et dynamique des particules ellipsoïdales dans les faisceaux lasers
Résumé
This work is a contribution to the “AMOCOPS” project, funded by Agence Nationale de la Recherche. AMOCOPS is dedicated to the development of new computation schemes to simulate the light scattering patterns of large complexly shaped particles. Particle sizes are of the order of several 10s of micrometres, which is at the limit, or beyond the capabilities of currently available computation techniques.Our work indirectly deals with light scattering through the corresponding mechanical effects of light. Light scattering is the source of momentum transfer between light and matter, and therefore of the forces and torques acting on the exposed particles. The majority of Part A of this thesis is about the mechanical responses of ellipsoidal polystyrene particles of varying aspect ratios, under illumination by one or two laser beams. We investigate the case of weakly focused beams (optical levitation), and that of a single large aperture beam (optical tweezers). Different types of static equilibria, some of which are new, are observed and characterized in both geometries. We confirm the existence of dynamic states, whereby the particle permanently oscillates within the laser beam(s). Three new oscillation modes are observed, two of them in the conditions of optical levitation, and another one in the optical tweezer geometry. The study allows us to make a distinction between noise-driven oscillations in the linear regime, of the type predicted by Simpson and Hanna, and nonlinear oscillations such as those evidenced prior to this work, by Mihiretie et al..Results from our experiments are compared to simulations by J.C. Loudet, using simple ray-optics (RO) in two dimensions (2D). We show that results from 2D-RO qualitatively match most of our observations, and allow us to physically understand the main mechanisms at work in the observed phenomena. The simulations cannot be quantitatively exact, due to the 2D limitation, and because RO essentially ignores the wave nature of light. In Part B of the manuscript, we present the principles of the Vectorial Complex Ray Model (VCRM), which was recently developed by K.F. Ren in 2d. The goal of AMOCOPS is to develop a full 3D version of VCRM, able to simulate light scattering by particles of any shape with a smooth surface. We explain the basics of the model, as well as the “2D+” version, which is an extension of the basic 2D-VCRM. A few illustrative examples of light scattering patterns computed with 2d+-VCRM for large-sizes spheres and ellipsoids are presented
Ce travail de thèse est une contribution au projet national AMOCOPS, financé par l’ANR. Le thème central du projet est la diffusion de lumière par des particules de formes complexes et de grandes tailles (plusieurs dizaines de µm au moins), domaine où les méthodes de simulation numérique existantes trouvent leurs limites d’applicabilité. Nous abordons le problème par le biais des effets mécaniques de la lumière, autrement dit les forces et couples créés par la pression de radiation. Etant la conséquence du transfert d’impulsion entre l’onde et la matière, ces effets sont directement liés à la diffusion de lumière. La thèse comprend une partie expérimentale –majoritaire- concernant les réponses mécaniques de particules de polystyrène de forme ellipsoïdale et d’allongement variable sous illumination par un ou deux faisceaux laser. Les cas de faisceaux faiblement focalisés (lévitation optique) et d’un faisceau très fortement focalisé (pincette optique) sont examinés successivement. Nous caractérisons différents types d’équilibre statique, certains d’entre eux non décrits auparavant, obtenus dans les deux géométries. Par ailleurs nous confirmons l’existence de réponses purement dynamiques, où la particule oscille en permanence. Trois nouveaux modes sont observés, deux dans la géométrie lévitation optique et un autre sous pincette optique. Cette étude nous permet de distinguer les oscillations dites de Simpson-Hanna dans le régime linéaire de celles non linéaires mises en évidence avant nous par Mihiretie et al..Les résultats de nos expériences sont comparés à ceux obtenus par les simulations de J.C. Loudet, sur la base de la simple optique géométrique (OG) et limitées à 2 dimensions (2d). Nous montrons que ces simulations permettent de reproduire qualitativement et comprendre physiquement la plupart des comportements observés dans nos expériences. La principale limitation de ces calculs tient à ce que l’OG ignore le caractère ondulatoire de la lumière. Pour faire mieux et aller vers des simulations fiables quantitativement, il faut développer un modèle alliant optique géométrique et optique ondulatoire. C’est la fonction du modèle VCRM (Vectorial Complex Ray Model) développé récemment par K.F. Ren en 2d. Le but du projet Amocops est de mettre au point la version 3d de la méthode et de la valider sur la base d’expériences comme celles que nous avons conduites. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la méthode VCRM. Nous en exposons les principes, et nous présentons quelques résultats des travaux en cours avec une version intermédiaire entre 2d et 3d, dite « 2d+ ». Quelques illustrations sont proposées sur des exemples impliquant des sphères et ellipsoïdes de grandes tailles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)