Mots-clés : Lumière complexe et milieux désordonnés, optique électromagnétique et optique statistique, polarisation et cohérence…

L’observation des milieux désordonnés par des méthodes optiques n’est pas nouvelle ; en témoignent les progrès considérables récemment atteints dans le domaine de l’imagerie en milieu diffusant, pour des applications notamment liées au vivant. Ces techniques font appel aux interactions linéaires ou non-linéaires de la lumière avec la matière, et mettent en jeu la microscopie en champ proche ou lointain, la polarisation ou la cohérence, le façonnage ou la correction des fronts d’onde, la tomographie, l’illumination structurée, la déplétion forcée…

Toutefois la quasi-totalité de ces techniques est déterministe ; cela signifie que l’on analyse en sortie de système des signaux qui résultent d’une excitation parfaitement contrôlée à l’entrée, quand bien même cette excitation balaierait un certain nombre de paramètres (longueur d’onde, polarisation, incidence…).

Dans ce cadre, la « scrutation stochastique » apporte une alternative originale indispensable aux méthodes précitées. Cette analyse est rendue possible au travers de la polarisation partielle de la lumière, caractéristique d’un champ électromagnétique dont les états ne sont que partiellement (statistiquement) connus. En d’autres termes, une lumière partiellement (ou totalement) dépolarisée transporte un désordre temporel que l’on peut projeter sur un milieu désordonné (désordre spatial). Ces propriétés temporelles impactent directement les histogrammes spatiaux des paramètres lumineux (degré de polarisation, cohérence temporelle…), dont l’analyse statistique fournit alors de nouvelles signatures spécifiques des milieux sondés.

On est donc ici au cœur de l’optique statistique largement utilisée pour l’étude des speckles d’intensité et de polarisation (Goodman, Wolf…), et déjà introduites à l’Institut Fresnel par l’équipe PHYTI (section 61). Toutefois les études couplant plus avant l’optique électromagnétique à l’optique statistique sont beaucoup plus rares, en ce sens que l’interaction lumière/matière dans la communauté « Physical Optics » est en général décrite par des modèles phénoménologiques sous l’hypothèse de speckles pleinement développés, ignorant ainsi les progrès extraordinaires obtenus ces 20 dernières années dans le domaine de la résolution des équations de Maxwell. Ce constat a motivé la création en 2012 du thème « Lumière Complexe en Milieu Désordonné » au sein de l’équipe CONCEPT de l’UMR Fresnel.

Ce couplage d’expertises (optique électromagnétique/optique statistique/instrumentation optique) a enrichi considérablement l’approche jusque-là effectuée pour aborder les milieux complexes. Une première publication a servi de clé de voûte pour l’élaboration du projet TRAMEL (transition multi-échelle entre régimes de polarisation de la lumière diffuse) qui a été financé par l’ANR (2011-2014), et qui nous a véritablement permis de rejoindre le groupe des équipes phare du domaine à l’échelle internationale, grâce à nombre de résultats originaux : introduction de la nature multi-échelle de la polarisation spatiale, lien entre polarisation temporelle et dépolarisation spatiale, effets de repolarisation temporelle par des milieux 2D très désordonnés, cartographies de la cohérence temporelle, lois de densité de probabilité du degré de polarisation, évolution de ces lois avec la microstructure des milieux, élaboration d’un instrument unique pour mesurer les histogrammes de dop et confrontation réussie avec l’expérience, application aux signatures des milieux complexes. La liste des publications (RICL) ci-après témoigne de ces briques de connaissance sur lesquelles s’est progressivement construit le projet scientifique ici exposé. On pourra aussi consulter, pour plus d’information, le site du projet ANR TRAMEL : http://conceptatfresnel.wix.com/tramel.