Ces travaux de thèse, consacrés à l'étude et analyse quantitative d'images de phase obtenues par interférométrie à décalage quadri-latéral, ont pour but la caractérisation d'un point de vue métrologique d'un outil de mesure et de ses différentes applications. Cette technique d'interférométrie, développée initialement par la société Phasics pour les marchés de la métrologie optique et de la caractérisation de faisceaux laser essentiellement, peut aussi permettre d'obtenir la cartographie d'un champ électromagnétique complexe grâce à une mesure de front d'onde. En l'utilisant sur un microscope en condition d'imagerie, ont été obtenues des images de l'intensité et de la différence de chemin optique introduite par un échantillon semi-transparent, définissant ainsi une nouvelle technique de contraste de phase quantitatif. La première partie de cette thèse sera consacrée aux techniques en microscopie qui permettent une quantification. Nous verrons les enjeux de l'obtention de ce caractère quantitatif et ce qu'il signifie dans le cadre de différentes techniques utilisant la fluorescence. On étudiera la mesure dans le cadre d'une approximation dite "projective" réalisant certaines hypothèses. On verra quelles sont les grandeurs accessibles grâce à une mesure dans le cadre de cette approximation et quelles applications en biologie peuvent être développées concernant les éléments isotropes dans une première partie et les éléments anisotropes dans une seconde partie.Nous démontrerons la possible transposition de ces applications réalisées en deux dimensions en trois dimensions avec une résolution axiale suffisante permettant une reconstruction tomographique. / The aim of this thesis, dedicated to the study and quantitative analysis of phase images obtained thanks to quadri-wave lateral shearing interferometry, is to caracterize a metrological tool and its three proposed different applications.This work has been done in collaboration between Institut Fresnel (Marseille, France) and Phasics company (Palaiseau, France) and continues that of Pierre Bon who has been in charge the application this technique to microscopy. This interferometric technique, developped by Phasics, for optical metrology and lasers characterization, allows to record complex eletromagnetic field maps thanks to a wave front measurement. By using it in the microscope image plane, one can obtain inetnsity and optical path difference images of a semi-transparent biological sample. this technique is now considered as a new quantitative phase contrast technique.The first part of this manuscript will be a state of the art of quantitative microscopy techniques. The issues of quantification and its meanings in the framework of different fluorescent and phase based techniques will be discussed.A description of the technique that is used and its comparison with similar phase techniques will be done.The measurement, under the projective approximation, is studied leading to different variables. We show different applications concerning isotropic elements in a first part and anisotropic elements in the second one.We show how this measurement is trnasposed to the third dimensions allowing three dimensional imaging and complete reconstruction of refractive index maps of biological samples.

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