Lobjectif de cette thèse était de concevoir et développer un dispositif expérimental réalisant des mesures dans la gamme micrométrique, qui soit compact, transportable et le plus stable possible pour la réalisation de mesures in-situ. Ce projet a donc contribué à la conception et à la réalisation dun dispositif interférométrique de shearographie qui constituera une base pour de futurs développements. Un interféromètre original de shearographie à chemins optiques quasi-communs et utilisant la technique du décalage de phase temporel a été présenté dans ce travail. Lélément clef du montage expérimental de shearographie est le dispositif de cisaillement (« shearing device », en anglais) : il sagit dun prisme qui sépare les états de polarisation TE et TM grâce à une couche mince polarisante et une fine lame de verre qui lui est accolée. Cet élément de cisaillement ainsi que lutilisation dune caméra CMOS et dune cellule à cristaux liquide pour modulateur de phase, ont permis la réalisation dun interféromètre compact, en ligne, relativement bon marché et à chemins optiques quasi-communs, lui conférant ainsi une grande stabilité par rapport aux perturbations extérieures. De plus, la sensibilité de cet interféromètre peut être ajustée pour différentes applications en modifiant la distance de cisaillement, par exemple en utilisant une lame de verre dépaisseur différente accolée au prisme séparateur de polarisation. Des logiciels pour lacquisition et le traitement des images ont également été développés afin de rendre le système simple dutilisation et convivial. Lefficacité de cet interféromètre de shearographie a été prouvée dans le domaine mécanique et une application originale a été développée dans le domaine de la biophotonique.

Orientador: Prof. Dr. Marcos Roberto da Rocha Gesualdi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2017. / Sistemas de instrumentação cientíca vem sendo poderosas ferramentas para viabiliza- ção e comprovação de modelos em física teórica, bem como, para geração de produtos tecnológicos. Nesse sentido, as técnicas de Interferometria e Microscopia Holográca se mostram como poderosos métodos ópticos para observação de fenômenos perturbativos, na análise da fase de frentes de onda ópticas, em ensaios não destrutivos de análise de superfícies e aferição de sistemas ópticos. Particularmente, as técnicas holográcas em tempo real se apresentam favoráveis em relação às técnicas convencionais de análise de superfícies e frentes de onda, pois permitem a análise, visualização e monitoramento in situ dos sistemas estudados com precisão e conabilidade. Por outro lado, as técnicas de Holograa Computacional e Fotorrefrativa, nas quais cristais fotorrefrativos são usados como meio de registro holográco, tem se mostrado promissoras para geração de feixes ópticos especiais. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar e aplicar os métodos da Interferometria e Microscopia Holográca (Digital e Fotorrefrativa) para análise de intensidade e fase em feixes ópticos especiais (não-difrativos) e superfícies tridimensionais micro-estruturadas. Desenvolvemos para esses ns, um arranjo de Interferometria Hologr áca Digital e Fotorrefrativa para geração e análise de feixes ópticos e um sistema de Microscopia Holográca Digital e Fotorrefrativa para análise micro-estruturas (retículos e células sanguíneas). Os resultados obtidos estão de acordo com o previsto teoricamente, permitindo excelente perspectiva de aplicações desses sistemas na análise e caracterização de feixes ópticos e superfícies micro e nano-estruturadas. / Scientic instrumentation systems are powerful tools for feasibility and verication of models in theoretical physics, as well as for the generation of technological products. In this sense, Holographic Interferometry and Holographic Microscopy are shown as powerful optical methods for observing perturbative phenomena, in the analysis of the phase of wavefronts, non-destructive testing for surface analysis and optical systems admeasurement. Notably, real-time Holographic techniques are favorable compared to conventional surface analysis techniques, since they allow the analysis, visualization and in situ monitoring of the studied systems with precision and reliability. On the other hand, Computational and Photorefractive Holographic techniques, in which photorefractive materials are used as holographic recording media, are promising techniques for special optical beams generation. Thus, the objective of this research project was to study and apply the methods of Holographic Interferometry and Holographic Microscopy (Digital and Photorefractive) for the analysis of intensity and phase of special optical beams (non-diractive) and micro-structured three-dimensional surfaces. For these purposes, we developed a Digital and Photorefractive Holographic Interferometry arrangement for the generation and analysis of optical beams and a Digital and Photorefractive Holographic Microscopy for micro-structures analysis (resolution targets and blood cells). The obtained results are in agreement with those predicted theoretically, allowing an excellent perspective of applications of these systems in the analysis and characterization of optical beams and micro and nano-structured surfaces.

Les tissus biologiques sont des milieux fortement diffusant pour la lumière. En conséquence, les techniques d'imagerie actuelles ne permettent pas d'obtenir un contraste optique en profondeur à moins d'user d'approches invasives. L'imagerie acousto-optique (AO) est une approche couplant lumière et ultrasons (US) qui utilise les US afin de localiser l'information optique en profondeur avec une résolution millimétrique. Couplée à un échographe commercial, cette technique pourrait apporter une information complémentaire permettant d'augmenter la spécificité des US. Grâce à une détection basée sur l'holographie photoréfractive, une plateforme multi-modale AO/US a pu être développée. Dans ce manuscrit, les premiers tests de faisabilité ex vivo sont détaillés en tant que premier jalon de l'imagerie clinique. Des métastases de mélanomes dans le foie ont par exemple été détectées alors que le contraste acoustique n'était pas significatif. En revanche, ces premiers résultats ont souligné deux obstacles majeurs à la mise en place d'applications cliniques.Le premier concerne la cadence d'imagerie de l'imagerie AO très limitée à cause des séquences US prenant jusqu'à plusieurs dizaines de secondes. Le second concerne le speckle qui se décorrèle en milieu vivant sur des temps inférieurs à 1 ms, trop rapide pour les cristaux photorefractif actuellement en palce. Dans ce manuscrit, je propose une nouvelle séquence US permettant d'augmenter la cadence d'imagerie d'un ordre de grandeur au moins ainsi qu'une détection alternative basée sur le creusement de trous spectraux dans des cristaux dopés avec des terres rares qui permet de s'affranchir de la décorrélation du speckle. / Biological tissues are very strong light-scattering media. As a consequence, current medical imaging devices do not allow deep optical imaging unless invasive techniques are used. Acousto-optic (AO) imaging is a light-ultrasound coupling technique that takes advantage of the ballistic propagation of ultrasound in biological tissues to access optical contrast with a millimeter resolution. Coupled to commercial ultrasound (US) scanners, it could add useful information to increase US specificity. Thanks to photorefractive crystals, a bimodal AO/US imaging setup based on wave-front adaptive holography was developed and recently showed promising ex vivo results. In this thesis, the very first ones of them are described such as melanoma metastases in liver samples that were detected through AO imaging despite acoustical contrast was not significant. These results highlighted two major difficulties regarding in vivo imaging that have to be addressed before any clinical applications can be thought of.The first one concerns current AO sequences that take several tens of seconds to form an image, far too slow for clinical imaging. The second issue concerns in vivo speckle decorrelation that occurs over less than 1 ms, too fast for photorefractive crystals. In this thesis, I present a new US sequence that allows increasing the framerate of at least one order of magnitude and an alternative light detection scheme based on spectral holeburning in rare-earth doped crystals that allows overcoming speckle decorrelation as first steps toward in vivo imaging.