Les superisolants thermiques sont largement étudiés car il permettraient de réduire les émissions de $\mathrm{CO}_2$. Nous voulons modéliser les propriétés radiatives de matrices nanoporeuses de silice qui sont les composants majeurs de ces matériaux. Des échantillons ont été fabriqués puis caractérisés sur la plage de longueur d'onde [250~nm ; 20~mm]. Nous avons ensuite calculé leurs propriétés radiatives avec une méthode inverse. Les échantillons étant constitués de particules quasisphériques, nous avons modélisé leurs propriétés radiatives avec la théorie de Mie. La notion de diffuseur représentatif nous permet d'obtenir un accord satisfaisant sur l'ensemble de la plage de longueurs d'onde étudié, sauf aux petites longueurs d'onde (\(\lambda \leq 1\, \mu \mathrm{m}\)) car la théorie de Mie ne peut pas prendre en compte la structure des agrégats. Nous avons donc développé un code basé sur l'approximation dipolaire discrète qui améliore les résultats, les calculs se basant sur des agrégats générés avec différents algorithmes.

Ce travail de thèse porte sur la mise en évidence de l'effet laser dans des microrésonateurs optiques de très haute surtension, basés sur les modes de galerie de microsphères de silice d'un diamètre de 50 à 100 μm. Ces modes résonnants correspondent à une propagation guidée par réflexion totale interne. La lumière est ainsi confinée dans un anneau équatorial dont les dimensions transversales sont de l'ordre de la longueur d'onde, ce qui donne lieu à une forte exaltation du champ lumineux. Les pertes de ces modes guidés sont extrêmement faibles. Ils offrent donc la 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 obtenir des effets d'Optique non-linéaire à très bas seuil que pour des expériences d'Électrodynamique Quantique en cavité. Ce mémoire présente d'abord les propriétés de ces résonances et leur observation expérimentale par spectroscopie laser. Le dédoublement de ces résonances par rétrodiffusion interne est ensuite décrit et interprété par un modèle d'oscillateurs couplés, en bon accord avec les expériences. La réalisation d'un microlaser avec des microbilles dopées au néodyme est ensuite présentée. Les très bas seuils observés (200 nW) correspondent bien aux prédictions théoriques obtenues par un modèle semi-classique approprié. Pour renforcer les effets de cavité, ces expériences ont été poursuivies en immergeant les microsphères dans l'hélium superfluide. Le montage cryogénique mis au point nous permet de conserver des surtensions à 2 K de 10^9 et l'émission laser a pu être observée, ouvrant la voie à la recherche d'un fonctionnement laser avec seulement quelques ions couplés à quelques photons.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude théorique et numérique de métamatériaux pour la gamme submillimétrique (domaine térahertz), formés de sphères diélectriques présentant des résonances dipolaires de Mie électrique et magnétique, dispersées dans un milieu-hôte. Tout d'abord, les matériaux à utiliser ainsi que les tailles et fraction volumique des sphères permettant l'obtention d'effets de perméabilité ont été précisées. Ensuite, nous avons mené une étude de la polydispersité en taille et donné les distributions en taille limite à ne pas dépasser lors d'une synthèse chimique. Nous avons également montré qu'une polydispersité contrôlée pouvait engendrer un élargissement des zones de perméabilité négative ou une zone de perméabilité nulle. Enfin, nous avons étudié le comportement électromagnétique d'assemblages bidisperses de sphères de TiO2 par simulations numériques, et avons procédé à une analyse des modes de Bloch, semblant indiquer l'existence d'une bande d'indice négatif pour des fractions volumiques élevées.

<p>The redistribution of incident light into scattered fields ultimately limits the ability to image into biological media. However, these scattered fields also contain information about the structure and distribution of protein complexes, organelles, cells and whole tissues that can be used to assess the health of tissue or to enhance imaging contrast by excluding confounding signals. The interpretation of scattered fields depends on a detailed understanding of the scattering process as well as sophisticated measurement systems. In this work, the development of new instruments based on low coherence interferometry (LCI) is presented in order to perform precise, depth-resolved measurements of scattered fields. Combined with LCI, the application of new light scattering models based on both analytic and numerical methods is presented in order to interpret scattered field measurements in terms of scatterer geometry and tissue health. </p><p>The first portion of this work discusses the application of a new light scattering model to the measurement recorded with an existing technique, Angle Resolved Low Coherence Interferometry (a/LCI). In the a/LCI technique, biological samples are interrogated with collimated light and the energy per scattering angle at each depth in the volume is recorded interferometrically. A light scattering model is then used to invert the scattering measurements and measure the geometry of cell nuclei. A new light scattering model is presented that can recover information about the size, refractive index, and for the first time, shape of cell nuclei. This model is validated and then applied to the study of cell biology in a series of experiments measuring cell swelling, cell deformation, and finally detecting the onset of apoptosis.</p><p>The second portion of this work introduces an improved version of a/LCI based on two dimension angle resolved measurement (2D a/LCI) and Fourier domain low coherence interferometry (FD-LCI). Several systems are presenting for high speed and polarization-resolved measurements of scattered fields. An improved light scattering model based on fully polarization and solid angle resolved measurements is presented, and then efficiently implemented using distributed computing techniques. The combined system is validated with phantoms and is shown to be able to uniquely determine the size and shape of scattering particles using a single measurement.</p><p>The third portion of this work develops the use of angle-resolved interferometry for imaging through highly scattering media by exploiting the tendency of scatterers to forward scatter light. A new interferometers is developed that can image through very large numbers of scattering events with acceptable resolution. A computational model capable of reproducing experimental measurements is developed and used to understand the performance of the technique.</p><p>The final portion of the work develops a method for processing 2D angle resolved measurements using optical autocorrelation. In this method, measurements over a range of angles are fused into a single depth scan that incorporates the component of scattered light only from certain spatial scales. The utility of the technique is demonstrated using a gene knockout model of retinal degeneration in mice. Optical autocorrelation is shown to be a potentially useful biomarker of tissue disease.</p> / Dissertation

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The pseudo-spectral time domain (PSTD) and discrete dipole approximation (DDA) are two of the most popular methods to model the single-scattering properties of ice crystals and aerosols. Both methods solve for Maxwell’s equations. The PSTD method uses a Fourier pseudo-spectral method and a finite-difference method to compute the spatial and temporal derivatives of electromagnetic fields. The DDA method uses an electromagnetic integral equation in the frequency domain to calculate the single-scattering properties. We used a spherical model for this study because the analytical solution was given by the Lorenz-Mie theory. Previous studies have found that at refractive indices between 1.2 and 1.5, PSTD computed the single-scattering properties of spherical particles faster for large size parameters, while DDA was more computationally efficient at small size parameters; however, these previous studies did not consider absorptive cases. The purpose of this study was to expand the range of refractive indices to include absorptive cases and to determine which method was more efficient for computing the single-scattering properties of atmospheric particles within set criteria. The PSTD and DDA methods were systematically assessed in this study for 31 different realistic complex refractive indices. Similar to the previous studies, it was found that PSTD was more efficient than DDA for particles with large size parameters. The results in this study were consistent with the previous studies for non-absorptive to moderately absorptive particles. However, for strongly absorptive cases, DDA was more efficient than PSTD at all size parameters for the absorptive particles. It was also determined that the efficiencies of the two methods were dependent on both the real and imaginary parts of the complex refractive index. The significance of this study was to improve our understanding of the capabilities of the PSTD and DDA methods for computing single-scattering properties.

With the rapid development of the industry all over the world, the consumption of fossil fuel of human activities has reached an extremely high level which result in an incredible dust emission level nowadays. As one of the major environment challenges today, dust pollution has become a vital issue that the human beings have to face and resolve.    To tackle the dust pollution problem, a reliable measurement of the dust concentration level is essential. In recent years, methods with different principles are used to detect the dust concentration have been developed. The methods developed based on the scattering principle and the extinction principle for dust concentration measurement have a series of virtues such as high measurement speed, excellent precision and can be useful for real time monitoring.    This thesis reviewed the popular theories that are applied in the field which are light scattering (Mie theory) and light extinction (Lambert-beer theory). Matlab simulation is used to verify the possibility of the determined physical quantities related to the concentration measurement in the theory analysis. A new method using the ratio of scattering intensity and extinction intensity is discussed in this thesis providing a more accurate result eliminating the drawbacks of the scattering method and the extinction method.

We have numerically investigated the influence of a nanoscale silicon tip in proximity to an illuminated gold nanoparticle. We describe how the position of the high-permittivity tip and the size of a nanoparticle impact the absorption, peak electric field and surface plasmon resonance wavelength under different illumination conditions. We detail the finite element method (FEM) approach we have used for this, whereby we specify a volume excitation field analytically and calculate the difference between this source field and the total field (i.e., scattered-field formulation). We show that a nanoscale tip can locally enhance the absorption of the particle as well as the peak electric field at length scales far smaller than the wavelength of the incident light.

El medio interestelar (MIE) no sólo no es homogéneo sino que además posee una compleja topología que se manifiesta por la presencia de una variedad de estructuras tales como arcos, gusanos, cáscaras y supercáscaras. En particular, las supercáscaras se encuentran entre los objetos más enigmáticos e interesantes del MIE de una galaxia. Las mismas se detectan mayoritariamente en la emisión de la distribución de hidrógeno neutro (HI) como mínimos en la emisión de HI rodeados, total o parcialmente, por ”paredes” de mayor emisión. Las supercáscaras pueden expandirse a velocidades de varias decenas de kilómetros por segundo. Con tiempos dinámicos de vida del orden de decenas de millones de años, las supercáscaras sobrevivirían a las estrellas de gran masa que pudieran haberle dado origen (si ese hubiese sido el mecanismo que las originó), por lo que las mismas podrían ser usadas como registros fósiles para estudiar los efectos de formación estelar en la Vía Láctea. En esta Tesis se ha realizado un nuevo catálogo de candidatas a supercáscaras utilizando una combinación de un método automático de detección más uno visual. Una particularidad que tiene nuestro algoritmo de búsqueda automática es que es capaz de detectar estructuras que no están completamente cerradas, o sea, que no están completamente rodeadas por paredes de emisión de HI. Este hecho permitió estudiar el porcentaje de estructuras que tienen su lado ”abierto” hacia al halo de la Galaxia, lo cual convertiría a estas estructuras en candidatas a objetos identificados como ”chimeneas” galácticas. Se han detectado un total de 575 estructuras en la parte externa de la Galaxia a las cuales se les han determinado algunos parámetros físicos como por ejemplo: las distancias, dimensiones, edades dinámicas, velocidades radiales de los centroides, rangos de velocidades donde se detectan. A cada estructura se le ajustó una elipse la cual tiene como parámetros los semiejes mayor y menor y el ángulo de inclinación del semieje mayor con respecto al plano de la Galaxia. Se ha determinado la distribución de las supercáscaras en la Vía Láctea, así como también las principales propiedades estadísticas de los parámetros (tamaños lineales, velocidades de expansión, distancias galactocéntricas, dimensiones, edades dinámicas) encontrados para las mismas. Se ha comparado el catálogo obtenido con catálogos similares realizados por otros autores. También se ha analizado la posible presencia, en el interior de las estructuras, de objetos estelares que pudieron haberle dado origen. Por último se estudió en detalle una de las estructuras catalogadas, GS 100-02-41, la cual presenta evidencia de formación estelar inducida.

Microparticle experiments conducted using a newly commissioned quadrupole ion trap (QIT) are reported. Single polystyrene microparticles are confined using three dimensional electrodynamic quadrupole fields and characterised by their fluorescence emission and secular frequency measurements. The advantages of this confinement technique are that single particle properties can be measured free from ensemble averaging effects and unperturbed by solvents and (or) substrates. (For complete abstract open document)