Les propriétés exceptionnelles des sources de rayonnement synchrotron ont été et sont de plus en plus exploités dans des disciplines très différentes, allant de l'archéologie à la chimie, de la science des matièraux a la biologie, de la médecine à la physique. Parmi ces propriétés, il est important de mentionner la haute brillance, le spectre continu, le haut degré de polarisation, la structure temporelle, la petite taille de la source et la petite divergence du faisceau. Ces dernières propriètèes entraînant une forte cohérence transversale du rayonnement produit. La cohérence du faisceau a permis le développement des nouvelles techniques comme par exemple, l'imagerie à contraste de phase, la spectroscopie à corrélation des photons et l'imagerie par diffraction des photons cohérents. Par conséquent, il est de première importance que les éléments optiques puissent préserver cette propriété, perturbant le moins possible la front d'onde. Ce travail de thèse se constitue de trois parties. Dans la premiere partie, je vais présenter le travail effectué au sein du groupe optique de l'ESRF dans la caractérisation des cristaux de diamant synthétique de haute qualité prévus pour des applications aux optiques pour les rayons X. Cet caractérisation a été effectué en utilisant différentes techniques rayons X complémentaires, telles que la diffractométrie à haute résolution, la topographie, la diffraction en incidence rasante, la réflectométrie et des mesures de préservation de cohérence en utilisant l'effet Talbot. Dans la deuxième partie, je expose les résultats obtenu dans l'étude du comportement à haute température des domaines ferroélectriques dans un cristal périodiquement polarisé. Dans cet type d'étude, basé sur la diffraction de Bragg-Fresnel, est nécessaire un haute cohérence du faisceau. Dans la troisième partie, je présents des résultats obtenu dans la caractérisation des diamants prévus pour des applications autres que les optique rayons X.

Cette thèse présente les travaux de recherche effectués dans le but de concevoir et optimiser un instrument de métrologie du front d’onde et d’imagerie de phase sur faisceau synchrotron dans la gamme des rayonnements X durs. L’étude s’est focalisée sur la conception d’un interféromètre à réseau unique dont l’extraction des informations associées à l’analyse du front d’onde s’effectue par démodulation Fourier. Ces choix ont été déterminés par la volonté de concevoir un instrument robuste pouvant fonctionner sur une large gamme de conditions expérimentales sans avoir à modifier et accorder les paramètres et éléments constitutifs fondamentaux de l’instrument à chaque expérience. Ceci se résume par la contrainte forte de pouvoir réaliser une calibration absolue du système de façon à garantir la prise de mesure ultérieure par acquisition d’un interférogramme unique tout en s’affranchissant des erreurs de mesure déterministes de l’instrument.La variable expérimentale la plus importante correspond à l’énergie de travail; par conséquent la conception de l’interféromètre s’est organisée autour de la recherche de performances constantes sur une large bande spectrale pour des énergies entre 10 à 30keV, et a conduit à l’étude et à la mise en œuvre d’une configuration interférométrique innovante. Celle-ci exploite un régime diffractif particulier du réseau permettant d’accéder à la propriété d’achromaticité (non rigoureuse) par repliement des performances de mesure sur cette bande spectrale, et ce, pour un instrument reposant pourtant sur un composant diffractif fondamentalement chromatique.D’autre part, afin de garantir l’analyse quantitative de l’information portée par les modulations interférométriques générées par le réseau, nous avons également optimisé les traitements numériques et abouti au développement d’un algorithme de pré-traitement des interférogrammes permettant de s’affranchir des effets de bord lors de l’analyse d’images à support fini. Les artefacts rencontrés sont connus sous le nom de phénomènes de Gibbs et apparaissent dans le cas général de la transformée de Fourier d’un signal discontinu. Ainsi, annuler ces effets de bord permet également de gérer les problèmes d’éclairement partiel de la pupille de l’analyseur dont la gestion est essentielle en métrologie de front d’onde.Enfin nous présenterons les résultats expérimentaux de validation du concept interférométrique et de mesures applicatives en métrologie optique et en imagerie de phase sur des échantillons d’intérêt issus de domaines variés, de la biologie à la paléontologie. / This PhD dissertation presents the optimization and design of a wavefront analyzer dedicated to optical metrology and phase imaging on synchrotron sources in the hard X-ray regime. We chose to develop a single grating interferometer combined with a phase retrieval algorithm based on Fourier analysis. The main purpose here is to conceive a bulk instrument able to work in a great variety of experimental conditions without having to tune the parameters of the instrument in between experiments. This is thus related to the key constraint that is to calibrate the wavefront analyzer so that any further measurements could be corrected from any deterministic errors and allow single shot measurements of any sample.The key varying parameter in synchrotron experiments is the radiation energy (or wavelength). Therefore, the design of the interferometer aimed at minimizing the discrepancies of its performances over a broad spectral range from 10 to 30keV . This research lead in one hand to the description and implementation of an innovative interferometric configuration based on the achromatization of the instrument performances over this spectral range, despite the chromatic nature of the grating.On the other hand, in order to guaranty the quantitative analysis of interferograms, we also optimized the numerical approach to extract and treat the information they contain. This lead to the development of a conditioning procedure for a subsequent phase retrieval by Fourier demodulation. It fulfills the classical boundary conditions imposed by Fourier transform techniques and allows a nearly artifact-free extraction of the information.At last, experimental results demonstrate first, the viability of the grating achromatization concept, and then, the possibility to realize the metrology of grazing incidence optics at different wavelengths. The instrument was then used for phase imaging purposes of biological and archaeological samples.

Les propriétés exceptionnelles des sources de rayonnement synchrotron ont été et sont de plus en plus exploités dans des disciplines très différentes, allant de l'archéologie à la chimie, de la science des matièraux a la biologie, de la médecine à la physique. Parmi ces propriétés, il est important de mentionner la haute brillance, le spectre continu, le haut degré de polarisation, la structure temporelle, la petite taille de la source et la petite divergence du faisceau. Ces dernières propriètèes entraînant une forte cohérence transversale du rayonnement produit. La cohérence du faisceau a permis le développement des nouvelles techniques comme par exemple, l'imagerie à contraste de phase, la spectroscopie à corrélation des photons et l'imagerie par diffraction des photons cohérents. Par conséquent, il est de première importance que les éléments optiques puissent préserver cette propriété, perturbant le moins possible la front d'onde. Ce travail de thèse se constitue de trois parties. Dans la premiere partie, je vais présenter le travail effectué au sein du groupe optique de l'ESRF dans la caractérisation des cristaux de diamant synthétique de haute qualité prévus pour des applications aux optiques pour les rayons X. Cet caractérisation a été effectué en utilisant différentes techniques rayons X complémentaires, telles que la diffractométrie à haute résolution, la topographie, la diffraction en incidence rasante, la réflectométrie et des mesures de préservation de cohérence en utilisant l'effet Talbot. Dans la deuxième partie, je expose les résultats obtenu dans l'étude du comportement à haute température des domaines ferroélectriques dans un cristal périodiquement polarisé. Dans cet type d'étude, basé sur la diffraction de Bragg-Fresnel, est nécessaire un haute cohérence du faisceau. Dans la troisième partie, je présents des résultats obtenu dans la caractérisation des diamants prévus pour des applications autres que les optique rayons X. / The exceptional properties of synchrotron light sources have been and increasingly are exploited in very different disciplines, from archaeology to chemistry, from material science to biology, from medicine to physics. Among these properties it is important to mention the high brilliance, continuum spectrum, high degree of polarization, time structure, small source size and divergence of the beam, the last resulting in a high transversal coherence of the produced radiation. This high transversal coherence of the synchrotron sources has permitted the development of new techniques, e.g. phase contrast imaging, X-ray photon correlation spectroscopy and coherent X-ray diffraction imaging (CXDI). The thesis work will consist essentially of three parts. In the first part it will be presented the work done as a member of the X-ray Optics Group of ESRF in the characterization of high quality diamond crystals foreseen as X-ray optical elements. The characterization has been done using different complementary X-ray techniques, such as high resolution diffraction, topography, grazing incidence diffraction, reflectivity and measurements of the coherence preservation using the Talbot effect. In the second part, I will show the result obtained in the study of the temperature behaviours of the domain in periodically poled ferroelectrics crystals. This type of measurements, based on Bragg-Fresnel diffraction, are possible only thanks to the high degree of coherence of the beam In the third part, I will present the results obtained in the characterization of diamonds foreseen for applications other than X-ray optical elements.

L’étude de phénomènes thermiques à l’échelle microscopique peut s’avérer compliquée à mettre en place, principalement à cause de l’absence de technique de mesure de température fiable. Dans ce contexte, une technique de mesure de température appelée TIQSI a été développée au sein de l’Institut Fresnel. Dans l’objectif d’étudier des phénomènes thermo-induit à l’échelle microscopique, j’ai monté un microscope capable de contrôler et de quantifier une élévation de température à l'aide de TIQSI et de nanoparticules d’or. Différents phénomènes ont ainsi pu être étudiés.La synthèse hydrothermale regroupe les réactions chimiques utilisant de l’eau liquide à des températures plus élevées que la température d’ébullition. L’utilisation de nanoparticules permet d’avoir de l’eau liquide à des températures supérieures à 100°C (état métastable). J’ai pu ainsi effectuer des réactions de synthèse hydrothermale sans autoclave ce qui constitue un nouveau concept en chimie de synthèse.Une cellule vivante peut-être endommagée par un stress de chaleur ce qui peut détériorer ses protéines. En réponse à ce stress, la synthèse de HSP permet la réparation des protéines endommagées. J’ai pu étudier la dynamique de réponse des HSP ce qui a permis d’illustrer l’intérêt d’une chauffe locale et de TIQSI pour ce genre d’expérience.Une autre application mêlant le surchauffage de l’eau liquide et la biologie a été abordée. Les organismes hyperthermophiles vivent à de très hautes températures (80-110◦C). J’ai pu durant mes expériences observer le déplacement d’hyperthermophiles. Cette avancée constitue les prémices d’expériences plus ambitieuses comme l’étude de l’interaction entre hyperthermophiles. / Nowadays, thermal experiments at the microscopic scale remain challenging to conduct due to the lack of reliable temperature measurment techniques. To solve these problems, a label-free temperature measurement technique called TIQSI has been developed in the Institut Fresnel.With the objective to study new thermal-induced effects on the microscale using TIQSI, I built a microscope aimed to control heat diffusion on the microscale using nanoparticle. Thus, I could study different phenomena in chemistry and biology.Hydrothermal methods in chemical synthesis rely on the use of superheated liquid water as a solvent. It has been shown that gold nanoparticles can be used superheated water in a metastable state. I managed to conduct hydrothermal chemistry experiments using thermoplasmonics without autoclave which represents a new paradigm in chemistry.A living cell can be damaged by a heat stress which can misfold its proteins. To response to this stress, the HSP synthesis enables the reparation of misfolded proteins. I could study the heat stress response of HSP at short time scale which allowed me to illustrate the interest of using TIQSI and a local heat.As an application mixing superheating water and biology, I studied organisms that are able to live at high temperature (80-110°C) namely hyperthermophiles. Motion of these organisms has been studied without autoclave which paves the way to more sophisticated experiments such as the interaction between hyperthermophiles.

Cette thèse a pour objectif l’étude d’un lien effectif potentiel entre la motilité cellulaire, la mécanique cellulaire, et l’activité biochimique de ces mêmes cellules. Ce couplage a été étudié dans divers systèmes biologiques, et aussi bien dans des cultures de cellules qu’à l’intérieur de tissus plus complexes. Notamment, nous avons particulièrement cherché à détecter un couplage électromécanique dans des neurones qui pourrait être impliqué dans la propagation du message nerveux.Pour ce faire, nous avons dû développer deux microscopes optiques à la sensibilité extrême. Ces microscopes se composent de deux parties principales. La première sert à détecter des mouvements axiaux plus petits que la longueur d’onde optique, soit en dessous de 100 nanomètres. La deuxième partie permet la détection d’un signal de fluorescence, offrant la possibilité de suivre l’évolution biochimique de la cellule. Avec ces deux microscopes multimodaux, il est donc possible de suivre de manière simultanée un contraste de motilité, un contraste mécanique, un contraste structurel et un contraste biochimique. Si l’un de ces systèmes est basé sur la tomographie de cohérence optique plein champ et permet de faire de telles mesures en 3-D et en profondeur dans les tissus biologiques, le second ne permet que des mesures dans des cultures de cellules, mais est bien plus robuste au bruit mécanique. Dans ce manuscrit, nous allons essentiellement décrire le développement de ces deux appareils, et préciser les contrastes auxquels ils sont sensibles spécifiquement.Nous développerons également deux des applications principales de ces microscopes que nous avons étudié dans le détail au cours de cette thèse. La première application développe l’intérêt d’un de nos microscopes pour la détection sans marquage des principaux composants cellulaires et structuraux de la cornée et de la rétine. La seconde application tend à détecter et à suivre des ondes électromécaniques dans des neurones de mammifères / This PhD project aims to explore the relationship that might exist between the dynamic motility and mechanical behavior of different biological systems and their biochemical activity. In particular,we were interested in detecting the electromechanical coupling that may happen in active neurons, and may assist in the propagation of the action potential. With this goal in mind, we have developed two highly sensitive optical microscopes that combine one modality that detects sub-wavelength axial displacements using optical phase imaging and another modality that uses a fluorescence path. Therefore, these multimodal microscopes can combine a motility, a mechanical,a structural and a biochemical contrast at the same time. One of this system is based ona multimodal combination of full-field optical coherence tomography (FF-OCT) and allows the observation of such contrast inside thick and scattering biological tissues. The other setup provides a higher displacement sensitivity, but is limited to measurements in cell cultures. In this manuscript, we mainly discuss the development of both systems and describe the various contrastst hey can reveal. Finally, we have largely used our systems to investigate diverse functions of the eye and to look for electromechanical waves in cell cultures. The thorough description of both biological applications is also provided in the manuscript