Le projet concerne la caractérisation optique de gouttes et particules de formes « complexes » dont les tailles sont plus grandes que la longueur d’onde incidente. Dans ce domaine les théories rigoureuses et les méthodes numériques
existantes ne sont pas applicables efficacement. Nous proposons une méthodologie nouvelle pour calculer l’interaction de la lumière avec de tels objets, et une série de tests numériques et expérimentaux pour valider les calculs. S’en suivront une série d’ applications à la métrologie optique, ainsi qu’au piégeage et à la manipulation des particules non-sphériques. Les particules de formes complexes (PFC) sont omniprésentes en mécanique des fluides (écoulements multiphasiques, sprays et aérosols...), en ingénierie chimique et dans la nature. Pour caractériser ces objets, on exploite habituellement leurs propriétés de diffusion de la lumière en champ lointain (diffractomètres laser, interféromètres phase Doppler et imagerie sont des techniques classiques). La lumière exerce aussi sur les objets une « pression de radiation ». Les forces et couples associés rendent possible le piégeage et la manipulation de particules sans contact mécanique, avec des applications toujours plus nombreuses en biophysique et dans les micro-technologies. 

De nombreux modèles ont été développés pour décrire ces mécanismes (diffusion, absorption, pression de radiation). Les plus rigoureux sont limités (théoriquement ou numériquement) à des particules de forme simple (sphères et cylindres circulaires). Ils sont donc inopérants pour les PFC. Il existe bien différentes méthodes numériques (T-matrice, DDA, FDTD et MoM) permettant de calculer la diffusion par des particules de formes quelconques, mais les dimensions de ces dernières ne peuvent dépasser quelques dizaines de longueurs d'onde. En conséquence, rien n’existe pour prédire avec précision l’interaction de la lumière avec des PFC de plus de quelques dizaines de microns! Le but du projet AMO-COPS est précisément de répondre à ce besoin: développer un nouveau modèle pour les grosses PFC. 

L’optique géométrique, ou « tracé de rayons », est adaptable à des formes variées de particules. Cependant, les modèles courants de tracé de rayon négligent les effets d’onde, et tout ou partie des contributions des rayons d’ordres élevés. Récemment, le partenaire 1 a réussi à combiner tracé de rayons et forme (courbures) du front d’onde dans un modèle nouveau dit « Vectorial Complex Ray Model » (VCRM). Il permet de décrire précisément la diffusion par des PFC de surface lisse et a été appliqué à la diffusion 2D d’un cylindre elliptique et d’une particule ellipsoïdale. Dernièrement, les promoteurs de ce projet ont également proposé des méthodes originales pour décrire les effets de diffraction vers l’avant par l’incertitude d’Heisenberg et près de l’angle critique. L’objectif central du projet est de généraliser ces travaux dans une théorie générale, dite « Ray Theory of Wave» (RTW).

Le projet inclut 6 étapes: (1) extension de VCRM à des PFC 3D éclairées par des faisceaux laser de différentes structures; (2) modélisation des effets d’onde ; (3) prédiction des forces de pression de radiation; (4) validation numérique et expérimentale du modèle RTW ; (5) application à l’instrumentation scientifique et tests expérimentaux sur des jets, sprays et bulles. (6) piégeage et manipulation de particules non sphériques. 

Les livrables du projet AMO-COPS seront des logiciels de calcul des forces optiques et des propriétés de diffusion de la lumière par des PFC, incluant la simulation des dispositifs expérimentaux. Des résultats originaux sont attendus, à partir des calculs et des expériences, et plusieurs étudiants Ph. D seront formés à la recherche. Les résultats seront valorisés par des publications, des brevets et des licences de logiciels. La RTW, au-delà du programme pour ces quatre années, devrait être utile à de nombreux chercheurs et ingénieurs dans différents domaines.