Un des plus importants objectifs de la microfluidique est le développement des laboratoires sur puce dont le but est de réaliser des microcanaux capables de contenir et d'automatiser des analyses biologiques et chimiques. Dans cette technologie, les gouttes constituent des microréacteurs mobiles, pouvant encapsuler les réactifs d'une analyse. Le succès des laboratoires sur puce bas'es sur les gouttes dépend du développement de techniques pour les manipuler. L'objectif de cette thèse est le développement d'une technique de manipulation de microgouttes avec un faisceau laser. En particulier, on utilise le chauffage produit par le laser pour modifier les écoulements en altérant localement les propriétés physiques des fluides. Dans le cas d'une goutte isolée, le chauffage induit un gradient de tension interfaciale, ce qui crée des écoulements thermocapillaires à l'intérieur et à l'extérieur de la goutte. Ces écoulements sont `a l'origine d'une force qui repousse la goutte du laser. Dans une première partie, cette thèse montre les mécanismes physiques derrière la création de cette force et l'utilise pour implémenter le tri ou la rétention des gouttes dans un écoulement externe. Dans une deuxième partie, les écoulements thermocapillaires sont modulés temporellement pour induire le mélange du contenu d'une goutte qui est tenue par le forçage laser. Le chauffage laser est finalement utilisé pour déclencher la déstabilisation d'un jet liquide dans une géométrie de ``co-flow''. Dans cette géométrie, un liquide est injecté à l'intérieur d'un liquide externe qui coule parallèlement. Le liquide interne forme un filet qui se case en gouttes de taille variée. Le laser, dont la puissance est modulée de manière sinusoïdale, est utilisé pour modifier la viscosité du liquide interne, ce qui induit une déstabilisation locale de l'écoulement. Ceci permet de contrôler la fréquence de formation des gouttes et en conséquence leur taille en fonction de la fréquence du laser.

La microfluidique est un domaine très vaste qui étudie les comportements de fluides à l'échelle micrométrique. Grâce aux progrès de la microfabrication, elle suscite un nombre croissant d'applications en biologie ou chimie, et même très récemment en optique. En effet, son utilisation pour réaliser des cristaux photoniques est attractive par rapport aux technologies standards : elle permet une fabrication collective avec des interfaces très lisses. Dans cette perspective, cette thèse propose d'utiliser la microfluidique diphasique pour la fabrication de réseaux stables de microbulles, et pour intégrer de façon simple des fonctionnalités optiques réelles. Nous présentons d'abord la formation de réseaux hexagonaux de microbulles monodisperses de période dans la gamme 5-100 µm, contrôlée par la géométrie et les conditions d'écoulement. La qualité de ces cristaux a été révélée par imagerie de diffraction. Un photopolymère, utilisé comme liquide porteur, a permis l'obtention de structures stables sur plusieurs mois. Nous avons développé une technologie verre-verre qui permet la fabrication de canaux adaptés aux applications optiques : transparents, rigides et chimiquement résistants. Pour démontrer les potentialités de nos systèmes, nous avons réalisé des cristaux de bulles incluant des défauts contrôlés (lacune d'une bulle ou d'une ligne de bulles), éléments clés pour la conception de guides d'ondes ou de résonateurs. Nous utilisons des plots qui excluent les bulles de zones choisies, par compétition entre tension interfaciale et forces hydrodynamiques. Nous avons développé et validé expérimentalement un modèle qui prédit l'efficacité de cette méthode. La génération des microbulles sur puce est prometteuse pour la photonique : elle permet l'auto-organisation des structures avec une rugosité extrêmement faible. L'obtention de périodes comparables à la longueur d'onde est encore nécessaire pour la réalisation de fonctions basées sur les cristaux photoniques. Notre app roche doit permettre cette réduction de taille, car les limites de diffraction inhérentes à la photolithographie interviennent seulement pour la fabrication des canaux et non lors de la formation des bulles. Ce travail constitue donc une nouvelle approche, optofluidique, à la réalisation d'un guide d'onde, un filtre ou un résonateur optique.

La dynamique de bouchons est étudiée expérimentalement dans des microcanaux de section rectangulaire fabriquées selon le procédé de lithographie molle. Les bouchons sont déplacés par de l'air introduit à pression constante et l'écoulement est enregistré par vidéomicroscopie. Deux géométries sont étudiées : le canal droit et la bifurcation en T. Dans le premier cas, on détermine le saut de pression dynamique aux interfaces de bouchons de liquide mouillant ou partiellement mouillant en calculant au préalable la dissipation visqueuse dans le volume des bouchons. Les résultats montrent des similarités avec les études réalisées en tube cylindrique : le saut de pression aux interfaces d'un bouchon de liquide mouillant suit une loi de puissance faisant intervenir le nombre capillaire à la puissance 2/3 tandis qu'en mouillage partiel, cette dépendance est plus complexe notamment en raison d'un seuil de pression lié à l'hystérésis des angles de contact. Le comportement de bouchons de liquide mouillant est ensuite étudié dans une bifurcation en T. Trois cas sont observés : la division, l'éclatement ou encore le blocage du bouchon à l'entrée du T. La pression de déblocage ainsi que le critère éclatement-division sont modélisés et discutés. Ce travail de thèse aboutit donc, pour l'écoulement diphasique considéré, aux lois de transport dans un microcanal droit ainsi qu'à la fonction de transfert à une bifurcation dans le cas du mouillage total. Combinés, ces résultats pourront être utiles à la modélisation du transport de gouttes dans un réseau de microcanaux à section rectangulaire.

L'effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d'un gradient de tension interfaciale induit par la présence d'un gradient de température sur une interface fluide. Il se manifeste par (i) la migration d'un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion de l'interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notamment en microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaire induit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiques élémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative. La déstabilisation d'un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est également présentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact, pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d'une microfabrication dédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites, et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectronique simple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé.

L’effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d’un gradient de tensioninterfaciale induit par la présence d’un gradient de température sur une interface fluide. Il semanifeste par (i) la migration d’un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion del’interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notammenten microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaireinduit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiquesélémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative.La déstabilisation d’un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est égalementprésentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact,pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d’une microfabricationdédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites,et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectroniquesimple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé. / The thermocapillary (or Marangoni) effect is the mechanical result of an interfacial tension gradientinduced by a temperature gradient on a fluid interface. This effect manifests itself byinducing (i) the migration of an immersed finite-size object (droplet, bubble), and (ii) a deflexionof the interface. Due to its interfacial nature, the Marangoni effect is particularly relevantat small length scales, especially in the context of two-phase microfluidics. This thesis aims atapplying the thermocapillary effect locally induced by laser heating, in order to create some basicoptofluidic actuators (valve, switch, sampler). A quantitative study of these actuators is presented.The laser-forced destabilization of a co-flowing microfluidic jet, leading to its breakup,is also investigated. This “optical toolbox” represents a non-contacting, and microfabricationfreeapproach for the production and handling of droplets in digital microfluidics. Moreover, tocharacterize these droplet over long times, thus considering statistically significant populations,a simple optoelectronic device has been developed for measuring the size and velocity of thedroplets in real time.