Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’interférométrie par retro-injection optique (OFI) est une technique de détection émergente pour les systèmes fluidiques. Son principe est basé sur la modulation de la puissance et/ou de la tension de polarisation d’une diode laser induites par interférence entre le faisceau propre de la cavité laser et la lumière réfléchie ou rétro-diffusée par une cible distante. Grâce à l’effet Doppler, cette technique permet de mesurer précisément la vitesse de particules en mouvement dans un fluide, et de répondre aux besoins croissants de mesure de débit dans les systèmes d’analyse biomédicale ou chimique.Dans cette thèse, les performances de la vélocimétrie par rétro-injection optique sont étudiées théoriquement et expérimentalement pour le cas de micro-canaux fluidiques. Un nouveau modèle numérique multi-physique (optique, optoélectronique et fluidique) est développé pour reproduire les spectres Doppler expérimentaux. En particulier, les effets de la concentration en particules, de la distribution angulaire de la diffusion du laser par les particules, ainsi que du profil d’écoulement dans le canal sont pris en compte. Un bon accord est obtenu entre les vitesses d’écoulement théoriques et expérimentales. Ce modèle est également appliqué avec succès à la mesure de la vitesse locale dans un micro-canal et à l’analyse de l’impact sur le signal des configurations particulières de canal. Enfin, la conception d’un capteur OFI tirant parti des avantages des Lasers à Cavité Verticale à Emission par la Surface (VCSEL) est proposée. Grâce au développement de techniques de microfabrication à base de matériaux polymères, un premier démonstrateur composé d’un VCSEL à lentille intégrée est réalisé et testé sans aucune optique macroscopique additionnelle. Les résultats obtenus en termes de mesure de flux sur des canaux micro-fluidiques de tailles différentes valident l’intérêt de cette approche et ouvrent la voie vers la réalisation de capteurs OFI ultra-compacts. / Optical feedback interferometry (OFI) is an emerging sensing technique which has been studied in fluidic systems. This sensing scheme is based on the modulation of the laser emission output power and/or the junction voltage induced by the interaction between the back-scattered light from a distant target and the laser inner cavity light. Thanks to the Doppler Effect, OFI can precisely measure the velocity of seeding particles in flowing liquids which is much required in chemical engineering and biomedical fields. In the present thesis, optical feedback interferometry performance for microscale flow sensing is studied theoretically and experimentally. A new numerical modeling approach based on multi-physics numerical simulations for OFI signal simulation in the micro-scale flowmetry configuration is presented that highlight the sensor performances. In this model, many factors are involved such as particle concentration and laser-particle scattering angle distribution and flow velocity distribution. The flow rate measurement shows good agreement with the modeling. The implementation of OFI based sensors in multiple fluidic systems, investigating the impact of the fluidic chip specific configuration on the sensor signal.Finally, a compact OFI flowmetry sensor based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) using micro optical fabrication techniques is demonstrated as well. The simulation method for the design and the microfabrication procedures are detailed. After an evaluation of the experimental results, the capabilities of this new OFI sensor in microfluidic measurements are emphasized, thus demonstrating an open path towards ultra-compact microfluidic systems based on the OFI sensing technique.

L'interférométrie par réinjection optique est une technique de mesure dont l'implémentation pour l'interrogation de systèmes fluidiques est assez récente. Le principe de mesure est basé sur la perturbation des paramètres d'émission du laser induite par la réinjection dans la cavité laser de lumière rétro-diffusée par une cible distante. La technique permet le développement de capteurs compact et non-invasifs qui mesurent différents paramètres liés aux déplacements de la cible. En particulier, les interféromètres par réinjection optique prennent avantage de l'effet Doppler pour mesurer la vitesses de traceurs dans les liquides en écoulement. Cet aspect important de la technique de réinjection optique la rend adaptée à une grande variété d'applications dans les domaines du génie chimique et du biomédical où un contrôle des écoulements est requis. Cette thèse présente l'implémentation de capteur basés sur la réinjection optique pour différents systèmes fluidiques où la vitesse locale d'écoulement ou le débit sont directement mesurés. Nous présentons une étude centrée sur les applications où la réinjection optique est utilisée pour la mesure du débit à la micro-échelle avec en particulier une analyse de la robustesse des méthodes de traitement du signal propres aux régimes de diffusion simple et de diffusion multiple. Par ailleurs, nous présentons des résultats expérimentaux de mesures ex vivo où le capteur par réinjection optique est proposé comme alternative pour la myographie. Nous présentons également une implémentation temps réel pour l’estimation du débit instantané d'écoulements dynamiques dans une configuration milli-fluidique. Un système semi-automatisé de détection de particule unique dans un micro-canal est proposé et démontré. Enfin, un capteur basé sur la réinjection optique est implémenté pour la caractérisation des interactions entre deux fluides immiscibles en écoulement à micro-échelle et les mesures réalisées sont comparées à un modèle développé afin de décrire le comportement hydrodynamique des deux fluides dans un micro-réacteur. Le manuscrit décrit une contribution importante pour l'implémentation de capteur par réinjection optique pour des applications fluidiques et en particulier micro-fluidiques. Il présente également des résultats expérimentaux remarquables qui ouvrent de nouveaux horizons pour l'interférométrie à réinjection optique. / Optical feedback interferometry is a sensing technique with relative recent implementation for the interrogation of fluidic systems. The sensing principle is based on the perturbation of the laser emission parameters induced by the reinjection in the laser cavity of light back-scattered from a distant target. The technique allows for the development of compact and noninvasive sensors that measure various parameters related to the motion of moving targets. In particular, optical feedback interferometers take advantage of the Doppler effect to measure the velocity of tracers in flowing liquids. These important features of the optical feedback interferometry technique make it wellsuited for a variety of applications in chemical engineering and biomedical fields, where accurate monitoring of the flows is needed. This thesis presents the implementation of optical feedback interferometry based sensors in multiple fluidic systems where local velocity or flow rate are directly measured. We present an application-centered study of the optical feedback sensing technique used for flow measurement at the microscale with focus on the reliability of the signal processing methods for flows in the single and the multiple scattering regimes. Further, we present experimental results of ex vivo measurements where the optical feedback sensor is proposed as an alternative system for myography. In addition we present a real-time implementation for the assessment of non-steady flows in a millifluidic configuration. A semi-automatized system for single particle detection in a microchannel is proposed and demonstrated. Finally, an optical feedback based laser sensor is implemented for the characterization of the interactions between two immiscible liquid-liquid flowing at the microscale, and the measurement is compared to a theoretical model developed to describe the hydrodynamics of both fluids in a chemical microreactor. The present manuscript describes an important contribution to the implementation of optical feedback sensors for fluidic and microfluidic applications. It also presents remarkable experimental results that open new horizons to the optical feedback interferometry.