La pression de radiation acoustique est la force moyenne qu'une onde peut exercer sur un obstacle. Initialement, la faible manifestation de cette force ne suggérait pas d'applications potentielles. Néanmoins, avec l'avènement de sources acoustiques de haute puissance, il a rapidement été envisagé de manipuler de petits objets à distance par pression de radiation. Depuis, c'est via l'excitation d'ondes stationnaires dans des cavités que cette méthodologie connait son essor. Parallèlement, la pression de radiation de la lumière a rapidement permis de piéger et de manipuler des petits objets. Grâce à un laser fortement focalisé, la pince optique a donné une grande flexibilité aux techniques de manipulation sans contact et est devenue un outil fondamental pour de nombreuses disciplines scientifiques. Cependant, les faibles forces développées, les importantes intensités lumineuses requises et la petite taille des objets sont d'importantes limites tout particulièrement pour leur application en biologie.A l'heure actuelle, il n'existe pas l'équivalent de la pince optique en acoustique utilisant un unique faisceau. Le travail présenté donne un ensemble d'éléments théoriques et expérimentaux profitables pour la compréhension de la pression de radiation en acoustique et le dimensionnement d'une pince acoustique utilisant un unique faisceau ultrasonore : le vortex acoustique. Ce travail esquisse l'ébauche d'une nouvelle méthode de manipulation sans contact donnant une véritable dextérité de préhension. Les faibles intensités nécessaires associées aux larges forces développées sauront se montrer attractives pour imaginer un large panel de nouvelles applications scientifiques. / As an acoustic wave impinges an obstacle, a mean force is exerted on its surface. This so-called radiation pressure arises from the non linear interaction between the wave and the object.The early history of this force did not suggest any application of such a feeble effect. Nevertheless, as technological advances improved the prospects of new powerful sound sources, it was rapidly considered to use the acoustic radiation pressure as a mean of non-contact manipulation of small objects. Ever since, standing wave schemes excited in cavities has been the preferred strategy that is becoming considerably popular.In the same time, the radiation pressure of light was also recognised to trap and manipulate very small objects. Using a single focused laser beam, optical tweezers brought a great dexterity to non contact manipulation techniques and rapidly grew to become a fundamental tool in many scientific fields. However, the minuteness of the force, the high intensities required and the smallness of trappable objects are well-known limitations in particular for biological applications.Although optics and acoustics have shown many similarities, an acoustical analogue to optical tweezers using a single beam is yet to be demonstrated. Theoretical and experimental efforts are presented here and shed light on the underpinning mechanisms of single-beam acoustical tweezers. The analysis of a peculiar beam's radiation pressure, i.e. acoustical vortices, unveiled new characteristics for single-beam trapping. Our experimental demonstration along with the low intensities required and the large forces developed show promise for a wide spectrum of new scientific applications.

Lorsque des ondes acoustiques de surface rayonnent dans des fluides, elles provoquent deux effets non linéaires : la pression de radiation et le streaming acoustique. Ces deux effets ont trouvé un grand nombre d’applications pour la microfluidique digitale, la manipulation sans contact et le tri cellulaire. Néanmoins, ces systèmes se heurtent à deux limites. D’une part, chaque application requiert une onde acoustique spécifique : il n’existe pas de dispositif multifonction à ce jour. D’autre part, l’exploration des fonctionnalités offertes par les ondes de surface les plus simples (ondes planes, ondes focalisées) n’a pas permis de réaliser des pinces sélectives permettant de manipuler individuellement des particules ou cellules indépendamment de leurs voisines.Dans une première partie de la thèse, nous développons deux méthodologies pour synthétiser des champs complexes d’ondes de surface. La première méthode utilise un réseau de 32 peignes interdigités contrôlé par la technique du filtre inverse pour générer des champs sur demande. La seconde résout un problème inverse afin de concevoir un transducteur holographique générant spécifiquement le champ demandé. Dans la seconde partie de la thèse, nous utilisons le filtre inverse pour (i) réaliser un laboratoire sur puce multifonction et (ii) étudier le potentiel d’ondes de surface particulières appelées ondes de surface tourbillonnaires. Ces ondes permettent une manipulation sélective et sans contact d’objets microscopiques. Nous terminons la thèse en équipant un microscope d’un transducteur holographique de vortex acoustiques afin de réaliser une manipulation sélective et sans contact de cellules. / When surface acoustic waves radiate in nearby fluids, they trigger two nonlinear effects: acoustic radiation pressure and acoustic streaming. These two effects find numerous applications for digital microfluidics, contactless manipulation and biological cell sorting. Nonetheless, these systems face two limitations. On the one hand, each application requires a specific acoustic wave: there is no multifunction device so far. On the other hand, search for functionalities offered by simple surface acoustic waves (plane and focused waves) has failed to provide a selective tweezers able to manipulate individual particles or cells independently of their neighbors. In the first part of this thesis, we develop two methods to synthesize complex surface acoustic wave fields. The first one employs an array of 32 interdigitated transducers controlled by the inverse filter to generate arbitrary fields on demand. The second method solves an inverse problem to design a holographic transducer to generate a predefined field. In the second part of the thesis, we use the inverse filter to (i) implement a multifunction lab on a chip and (ii) investigate the potentialities of a special type of surface acoustic waves called swirling surface waves. These waves enable a selective and contactless manipulation of microscopic objects. We conclude the thesis by integrating a holographic acoustical vortex transducer on a microscope in order to selectively manipulate biological cells without contact.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la manipulation par forces acoustiques de particules et de fluide à petite échelle. Nous avons construit pour cela un système où des ondes acoustiques de surface sont générées sur un substrat piézo-électrique de LiNbO3 à partir d’électrodes interdigitées, puis émises dans une cavité microfluidique, à une fréquence de l’ordre de 37 MHz soient des longueurs d’onde d'environ 100 µm.Dans le cas où deux ondes stationnaires sont émises perpendiculairement et à la même fréquence, nous montrons théoriquement et expérimentalement la présence d’un terme d’interférence qui, selon le déphasage temporel entre les deux ondes, va modifier la localisation des ventres et nœuds de pression dans la cavité, mais aussi donner lieu à des tourbillons dont l’axe de rotation est perpendiculaire au substrat.Nous montrons théoriquement que ces tourbillons proviennent de la forme particulière des écoulements redressés en paroi et, en injectant des microparticules, nous avons déterminé des vitesses angulaire de plusieurs rad/s. Leur disposition spatiale suit une périodicité d'une demi-longueur d'onde, et leur sens de rotation est alternée entre tourbillons voisins horaires et anti-horaires. Que cela soit avec des globules rouges ou des particules de latex, nous avons identifié une dynamique complexe, avec la formation d’agrégats au centre des vortex sous l’effet des forces de radiations et une répartition en différents niveaux par effet de lévitation acoustique dans l’épaisseur de la cavité, en accord avec l'analyse.Dans le cas où des particules d’une dizaine de micromètres sont utilisées, nous observons, outre l’arrangement des objets dans les nœuds de pression, une rotation individuelle de chaque objet, à des vitesses angulaires plus élevées. Nous interprétons ces observations comme la première mise en évidence d’un couple d’origine acoustique sur des microparticules et cellules biologiques à partir d’ondes acoustiques de surface, constituant l’analogue à petite échelle des effets de couples acoustiques décrits par Busse et Wang en 1981.La thèse propose une description détaillée des différentes montages électriques et microfluidiques, avec les différentes étapes conduisant à un laboratoire sur puce permettant la génération tant de forces que de couples acoustiques, mais aussi la manière de qualifier électriquement et optiquement ses performances. / The focus of this PhD thesis was on particles and fluid handling through acoustic forces, at a very small scale. For this purpose, we built a micro-system based on surface acoustic waves emitted from interdigitated electrodes on a lithium niobate piezoelectric substrate. Those waves then leak into a fluid contained in a microfluidic cavity, at a frequency of 37 MHz, leading to 100 µm wavelengths.If two stationnary waves are emitted perpendicularly and at the same frequency, we theoretically and experimentally show evidence of interferences that can, depending on the time phase shift between them, nto only alter the positions of pressure nodes and antinodes in the acoustic cavity, but also give birth to acoustic vortices which axis is normal to the substrate surface.We theoretically show that those vortices come from the special behaviour of acoustic streaming due to a moving surface. Then, while injecting microparticles in the cavity, we measure angular velocities of a few rad/s. Those vortices spatial disposition follows a half-wavelength period, and their rotation alternates between neighbours: clockwise or anticlockwise. We identify a complex dynamic concerning their 3D structure, since small particles tend to aggregate in vertical columns in the center of the vortex because of radiation forces, with a vertical modulation in the height of the cavity, in good agreement with theoretical predictions.When 10 µm large particles are used instead, we observe individual rotations, even for spherical objects, with higher rotation velocities. We believe those observations to be the first evidence of an acoustic net torque exerted on micro-objects such as biological cells or beads stemming from surface acoustic waves, thus a small scale equivalent of acoustic torques described by Busse and Wang in 1981.This manuscript develops a detailed description of both electric and microfuidic devices, giving the successive steps leading to a lab on chip designed to generate acoustic forces and torques at once, and also the method for qualifying and quantifying electrically and optically its performances.