LA DIFFUSION MULTIPLE DE LA LUMIERE

La diffusion multiple de la lumière est un développement récent des méthodes de diffusion de la lumière qui permet la détermination sans perturbation des propriétés de milieux très concentrés. Alors que la diffusion simple de la lumière (DLS) s’applique dans la limite où les photons sont diffusés au plus une fois, la diffusion multiple (DWS) s’applique à des milieux très diffusants où la direction de propagation de la lumière est rendue totalement aléatoire à la suite d’ungrand nombre d’évènements diffusifs. Dans cette limite, la propagation de la lumière peut être comme un processus de diffusion : les photons traversent le milieu étudié en effectuant une marche aléatoire dont le pas est l^*.

Le principe d’un montage de diffusion multiple consiste à éclairer la face d’entrée du matériau opaque à étudier par un faisceau laser de longueur d’onde l. Il se forme sur la face d’entrée (rétrodiffusion) et sur la face de sortie (transmission) une figure de speckle

Chaque point d’une figure de speckle est formé par les interférences constructives ou destructives des photons aboutissant en ce point après avoir traversé le matériau. Une expérience de DWS consiste à analyser les variations spatiales et temporelles dans les différents points de l’une ou l’autre de ces figures de speckle

Plusieurs motivations nous ont conduits à développer la diffusion multiple en rétrodiffusion, résolue spatialement. La rétrodiffusion apporte une très sensibilité et permet d’explorer des situations pratiques où l’accessibilité du matériau est réduite. Le caractère résolu en temps de la technique permet des mesures in-situ et simultanées des propriétés statiques du milieu ( l^* ) et de ses propriétés dynamiques (g₍₁₎(t)). La gamme d’échelles de temps et de distance accessibles peut être modulée en changeant la distance r entre le point d’observation et le faisceau incident. Cette technique est donc destinée à l’étude des matériaux dont les propriétés évoluent au cours du temps ou qui comportent un spectre de temps de relaxation très étendu. Un faisceau laser est focalisé à la surface du milieu étudié. Un dispositif optique effectue l’image de la figure de speckle sur le détecteur permettant d’analyser les variations spatiales et temporelles de l’intensité diffusée en chaque point. La figure montre des résultats obtenus dans le cas de suspensions de particules sphériques de Polystyrène dans l’eau (diamètre=110nm, fraction volumique=0.0025, 0.005, 0.0045, 0.01). Dans le système de coordonnées (r/l^*, I(r)l^*2/I₀) où I(r) est l’intensité mesuré au point r et I₀ l’intensité totale incidente, les courbes expérimentales se placent sur une courbe unique. Ceci permet de déterminer l^* avec une bonne précision (~10%). La courbe unique obtenue est en très bon accord avec la prédiction théorique issue d’un modèle simple (en trait continu) ou les variations trouvées dans des simulations directes de type Monte Carlo.

Nous avons utilisé la diffusion multiple résolue spatialement pour étudier des dispersions concentrées de particules, des matériaux cellulaires (mousses de polyuréthane) et des pâtes concentrées.