[pt] Técnicas ópticas não intrusivas foram utilizadas para obter imagens instantâneas e médias de chamas turbulentas não pré-misturadas de etanol e ar estabilizadas num queimador tipo bluff-body. O espalhamento Mie, PLIF (fluorescência induzida em um plano laser) e PIV (velocimetria por imagem de partículas) determinaram a distribuição da densidade de gotas no spray, intensidade da fluorescência do radical OH, para mapear a zona de reação da chama, e o campo da velocidade do ar, respectivamente. Inicialmente propriedades de sprays de água são comparadas quando se variam as vazões de combustível e de ar, mostrando assimetria de duas zonas de máxima intensidade de espalhamento Mie próximas do bocal de injeção, nos casos de maior vazão de jato, e nos casos de menor vazão, o fechamento do filme líquido ocorre na zona central. Em seguida foram estudados dois regimes de combustão que correspondem a duas vazões de combustível, para os quais foram caracterizadas, a partir do sinal de fluorescência do radical OH, a estrutura instantânea e a média das chamas turbulentas o que permitiu identificar zonas de extinção. A superposição das imagens médias do OH-PLIF e de espalhamento Mie permitem evidenciar, no caso de menor vazão, que o spray é completamente envolto pela chama, o que representa um comportamento clássico para o desenvolvimento e uso de modelos de combustão. No caso de maior vazão, o spray interage fortemente com o processo de combustão, sendo este um caso que se afasta das situações clássicas. / [en] A turbulent nonpremixed ethanol spray flame is characterized through experiments using laser diagnostics. The spray burner has been designed to generate a stable flame with the use of a bluff body. The experiments include spatially-resolved measurements of visualization of droplets distribution (Mie scattering), OH fluorescence intensity, which indicates the reaction zone (Planar laser-induced fluorescence, PLIF) and mean air-flow velocity (Particle imaging velocimetry, PIV). Initially, water sprays results are compared corresponding to different flow rates, showing two asymmetric maximum intensity zones of Mie scattering, which are found near the nozzle at jet velocities. For low flow velocity, coalescence of droplets occurs in the central zone. Then two combustion regimes have been studied, using OH PLIF that corresponds to two different fuel flow rates. The instantaneous and average structure of turbulent flames, allowed identifying local extinction regions. Combined Mie scattering/PLIF results allowed determining, in the case of smallest fuel flow rates, that the spray is surrounded by the flame, which represents a classical situation for the development of combustion models for turbulent flames. In the case of larger flow rate, discrepancies from the classical behavior were observed, since droplets interact strongly with the combustion process.

Optical trapping of metal nanoparticles investigates phenomena at the interface of plasmonics and optical micromanipulation. This thesis combines ideas of optical properties of metals originating from solid state physics with force mechanism resulting from optical trapping. We explore the influence of the particle plasmon resonance of gold and silver nanospheres on their trapping properties. We aspire to predict the force mechanisms of resonant metal particles with sizes in the Mie regime, beyond the Rayleigh limit. Optical trapping of metal nanoparticles is still considered difficult, yet it provides an excellent tool to investigate their plasmonic properties away from any interface and offers opportunities to investigate interaction processes between light and nanoparticles. Due to their intrinsic plasmon resonance, metal nanoparticles show intriguing optical responses upon interaction with laser light. These differ greatly from the well-known bulk properties of the same material. A given metal nanoparticle may either be attracted or repelled by laser light, only depending on the wavelength of the latter. The optical forces acting on the particle depend directly on its polarisability and scattering cross section. These parameters vary drastically around the plasmon resonance and thus not only change the magnitude but also the direction and entire nature of the acting forces. We distinguish between red-detuned and blue-detuned trapping, that is using a trapping wavelength shorter or longer than the plasmon resonance of the particle. So far optical trapping of metal nanoparticles has focussed on a wavelength regime far from the particle’s resonance in the infrared. We experiment with laser wavelengths close to the plasmon resonance and expand the knowledge of metal nanoparticle trapping available to date. Existing theoretical models are put to the test when we compare these with our real experimental situations.

La structure alvéolaire et la fermeté de la mie des produits céréaliers de cuisson sont deux facteurs de qualité que la profession cherche à maîtriser. Dans ce contexte, des outils d'aide à la décision proposant, notamment, l'apport des paramètres de composition et du procédé intervenant dans la construction de la structure alvéolaire seraient utiles. Une série de « pains de mie enrichis », contenant les composants de base du pain (farine, eau, sel, levure) plus du saccharose et de l'huile de colza, a été fabriquée. Les gammes de concentration en eau, huile et saccharose, respectivement 50-60%, 2-20% et 0-15% (p/p base farine) ont été choisies de manière à fabriquer des produits de masse volumique réaliste par rapport aux produits du commerce (0,25-0,36 g/cm3) et de structures alvéolaires variées : mies fines ou grossières, homogènes ou hétérogènes. Les produits ont été caractérisés à toutes les étapes de leur fabrication en utilisant différentes techniques permettant l'observation de la structure et l'étude des propriétés rhéologiques et thermiques du produit. Ces techniques ont été choisies en fonction de l'échelle souhaitée et des propriétés à caractériser. Parmi elles, la microscopie, la rhéologie, l'analyse calorimétrique différentielle, l'analyse d'images, l'analyse sensorielle. En sélectionnant, à chaque étape de fabrication les paramètres pertinents et indépendants, et en analysant, ensuite, les corrélations toutes étapes confondues, il apparaît, notamment, que, pour la gamme de compositions étudiées dans ce travail, la masse volumique du produit alvéolaire dépend essentiellement de la viscosité et du caractère rhéofluidifiant de la pâte. La finesse de la mie est corrélée à la valeur de tan δ mesurée à l'issue du gonflement des grains d'amidon, et une fois que le réseau de gluten a thermocoagulé. L'hétérogénéité de la mie semble liée au niveau du caractère rhéodurcissant de la pâte en fin de fermentation. L'étude systématique de l'effet composition (farine, huile et saccharose) permet également de proposer des pistes de choix de compositions permettant l'obtention de structures alvéolaires souhaitées.

[pt] Um dos grandes desafios da computação gráfica é conseguir representar ambientes virtuais que assemelham-se aos ambientes reais observados pelos seres humanos em seu dia-a-dia. A fim de alcançar essa representação, diversos estudos foram realizados na área de renderização fotorealística e, principalmente, na que diz respeito à modelagem física e representação de fenômenos naturais. Esse estudo propõe explicar e analisar técnicas que representam o fenômeno de dispersão atmosférica; responsável por definir a cor da atmosfera/céu. Para alcançar esse objetivo, serão apresentadas duas técnicas: uma técnica baseada em um modelo físico e outra baseada em um modelo analítico e de aproximações. Esse estudo apresenta os detalhes de cada uma das técnicas e apresenta um comparativo para auxiliar na escolha da técnica de acordo com a necessidade e os requisitos da aplicação que irá representar o fenômeno de dispersão atmosférica. / [en] One of the greatest challenges of computer graphics is to represent virtual environments that resemble real environments observed by humans in their day-to-day. In order to achieve this representation, several studies have been conducted in the area of photorealistic rendering, and especially in regards to physical modelling and representation of natural phenomena. This study aims to explain and analyze techniques that represent the phenomenon of atmospheric scattering; responsible for setting the color of atmosphere/sky. To achieve this goal, two techniques are presented: one based on a physical model and the other based on an analytical model and approximations. This study presents the details of each technique and a comparative to help in choosing the technique according to the need and requirements of the application that will represent the phenomenon of atmospheric scattering.

Ce travail de thèse de doctorat étudie la diffusion de la lumière par des nuages de bulles au voisinage de l'angle de diffusion critique. Les bulles sont définies comme des particules dont l'indice de réfraction relatif est inférieur à l'unité. Dans l'hypothèse d'un régime de diffusion simple, le diagramme de diffusion critique produit par un ensemble de bulles peut être modélisé à l'aide de la théorie de Lorenz-Mie et d'une intégrale de Fredholm du premier type. Fondamentalement, ces diagrammes sont composés d'arcs (ou franges circulaires) qui présentent de grandes similarités avec ceux observés dans la zone de diffraction vers l'avant ou la région de l'angle d'arc-en-ciel. Il existe un lien clair entre l'étalement angulaire, la visibilité et la position globale de ces arcs avec le diamètre moyen, la dispersion et l'indice de réfraction (c.-à-d. composition) des bulles diffusantes. Différents effets particuliers ont été étudiés, comme ceux liés au profil d'intensité gaussien du faisceau laser incident, les effets de filtrage spatial de l'optique de Fourier, la non sphéricité des bulles, la possibilité de produire l'équivalent d'un arc-en-ciel sous-marin. Des simulations numériques, ainsi que la mise au point de différentes méthodes d'inversion et expériences ont permis de démontrer la validité et la fiabilité de ce que nous avons appelé la « Critical-Angle Refractometry and Sizing (CARS) technique ». Au delà des aspects fondamentaux, cette nouvelle méthode optique de caractérisation de particules s'avère prometteuse pour l'étude des écoulements à bulles et plus particulièrement quand la composition des bulles est recherchée.

Le diagnostic par une méthode optique telle que l'anémométrie phase Doppler, des particules présentes dans les milieux diphasiques, nécessite l'emploi de faisceaux laser focalisés. La compréhension et l'élimination des effets engendrés sur les mesures de taille, par les gradients d'éclairage ou les « effets de trajectoire », est au centre de la première partie de cette thèse. Différentes solutions, testées numériquement et expérimentalement, sont proposées pour éliminer les biais constatés. L'extension de l'anémométrie phase Doppler à la mesure de la partie réelle et complexe (absorption) de l'indice de réfraction des particules est ensuite considérée. Les méthodes originales proposées autorisent, en plus des mesures de taille et de vitesse, la reconnaissance des particules par leur indice, l'étude de la coalescence de gouttes (liquides transparents ou absorbants) ou la détection des fortes variations de température de particules. La dernière partie de ce travail propose diverses solutions pour étendre l'anémomètrie phase Doppler à la mesure de particules cylindriques (fibres, jets liquides), ovoïdes (oblates/problates), sphériques non­homogènes (multicouches, à coeur, hétérogènes: diphasiques ou non) et irrégulières. Le cas des particules multicouches est particulièrement détaillé, à partir de simulations basées sur le travail théorique effectué pour étendre la théorie de Lorenz-­Mie généralisée à ce type de particules.

Ce manuscrit d'habitation à diriger des recherches porte sur la caractérisation optique des écoulements multiphasiques. Il rassemble trois types de contributions. La première, traite de la modélisation des propriétés de diffusion de la lumière des particules rencontrées dans ces milieux : gouttes, bulles et fibres homogènes ; particules sphériques, fibres et jets à gradient radial d'indice, à coeur ; particules ellipsoïdales, hétérogènes ou irrégulières. Ces développements théoriques et numériques sont basés sur la théorie de Lorenz- Mie ou des modèles asymptotiques : modèle statistique, optique physique et géométrique. La deuxième partie de ce manuscrit, introduit le principe de techniques optiques originales pour la caractérisation simultanée de la vitesse, de la taille et du matériau de particules en écoulement : technique Dual Burst, Dual Mode, Interférométrie phase Doppler à 3 faisceaux cohérents, diffractométrie haute résolution, diffusion critique et arc-en-ciel. La troisième partie présente différents travaux réalisés dans le cadre de collaborations universitaires ou industrielles, sur des sujets aussi variés que la caractérisation des propriétés optiques de globules rouges, la caractérisation de système en combustion, les instabilités de jets capillaires homogènes ou à coeur ; le fibrage du verre à haute température ; les fibres optiques ; l'étude expérimentale d'instabilités thermo-solutales et de l'hydrodynamique d'écoulements gaz-solides en lit fluidisé circulant. Ce manuscrit comprend également un résumé de mes activités d'enseignement, de valorisation et de management de la recherche, ainsi que les reproductions de dix articles.

Nous avons développé des codes de calcul basés sur la théorie de Mie, pour prédire la réponse angulaire et spectrale de microsphères revêtues d'empilements multicouches concentriques, diélectriques ou métalliques. L'influence des paramètres est tout d'abord analysée avec précision : effet de taille, effet du revêtement, tolérance sur le rayon... L'analogie avec les fonctions optiques classiques (antireflet, miroir, filtres, séparateurs...) a retenu notre attention, et l'on montre qu'elle existe jusqu'à des rayons de l'ordre de 3 Μm, valeur critique en dessous de laquelle les résonances prédominent. Une étude colorimétrique a également permis de quantifier nombre d'effets colorés spécifiques à ces sphères multicouches.<br />La deuxième partie de notre travail a consisté en la réalisation des micro-composants. Pour cela nous avons entièrement mis au point une technologie de pulvérisation par faisceau d'ions (IBS), pour fabriquer des couches minces optiques métalliques ou diélectriques. Pour revêtir les microsphères, nous les animons d'un mouvement aléatoire conféré par une membrane vibrante. Les résultats montrent que notre procédé fonctionne très correctement pour une fabrication en série, ouvrant ainsi la porte à des poudres optiques interférentielles. Ensuite le problème de la caractérisation est traité à l'aide d'un diffusomètre laser et d'un spectro-diffusomètre, pour tenter de mesurer une sphère isolée ou des collections de microsphères.<br />De façon générale, ce travail trouve des applications dans la couleur et cosmétique, la visualisation, la furtivité et les télécom, le biomédical...

Ce travail de thèse porte sur l'étude des résonances de galerie de très haute surtension observées sur des microsphères de silice d'un diamètre voisin de 100μm. Ces résonances correspondent à des modes de propagation du champ le long d'un anneau équatonal dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc une combinaison remarquable d'une très forte localisation du champ dans un tout petit volume et de très longs temps de vie pour les photons. Ces propriétés en font des résonateurs de choix tant pour de nombreuses applications pratiques que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Le mémoire de thèse présente les propriétés de ces résonances, décrit leur observation expérimentale par spectroscopie laser et analyse quelques perspectives ouvertes par ces études en physique appliquée et fondamentale. Les possibilités d'utiliser ces modes de galerie pour asservir en phase un laser à diode ou pour fabriquer des lasers microscopiques sont envisagées. Une expérience de déflexion d'atomes froids dans l'onde évanescente associée à un mode de galerie est également étudiée. Une telle expérience devrait permettre de mettre en évidence la nature discrète de l'intensité d'un champ lumineux constitué de quelques photons et réaliser une mesure dispersive de tous petits champs optiques

Les simulations et l'étude expérimentale présentée dans ce mémoire ont pour but d'améliorer les diagnostics optiques afin de comprendre la physique de la pulvérisation et l'évaporation des gouttes. L'anémométrie Phase Doppler permet déjà de connaître la corrélation taille-vitesse dans un milieu relativement dilué. L'objectif des simulations numériques expliquées dans ce mémoire est de présenter la faisabilité d'étendre les mesures PDA à la mesure de d'indice de réfraction des gouttes. L'extension proposée, appelée l'anémométrie Phase Doppler à point sde gloire est basée sur l'analyse de la lumière diffusée par les points de gloires de la réflexion et de la réfraction d'une goutte se séplaçant dans un volume de mesure type PDA. Une des autres difficulté concernant l'étude de l'atomisation est la forte densité des sprys à la sortie des injecteurs de types automobile. la vélocimétrie laser par corrélation permet de connaître la vitesse des structures par l amesure d'un temps de vol. Dans le cadre de ce travail de thèse, cette technique a été validée et implantée au laboratoire.