Cette thèse porte sur le façonnage d'impulsions femtosecondes et leur caractérisation temporelle. L'originalité du travail repose sur une approche dans laquelle l'aspect métrologique joue un rôle essentiel. La première partie de la thèse aborde le problème des limites théoriques et expérimentales du façonnage d'impulsions courtes par un filtre acousto-optique dispersif programmable (AOPDF). Une caractérisation fine de ce dispositif a ainsi été réalisée par interférométrie spectrale pour déterminer sa précision. Une étape essentielle du travail a consisté à caractériser, au préalable, la précision de mesure accessible par interférométrie spectrale. Une étude systématique de la précision de génération, par AOPDF, de phases polynomiales d'ordre 1 à 4 a ensuite été réalisée. Une interprétation des écarts obtenus entre phase programmée et phase appliquée ainsi qu'une méthode de correction sont proposées et discutées. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'étude de trois techniques de caractérisation d'impulsions courtes : une méthode de référence, l'interférométrie spectrale à décalage (SPIDER) et deux nouvelles méthodes développées au cours de la thèse : la " Local Spectral Compression " (LSC) et l'interférométrie spectrale autoréférencée (SRSI). Dans chaque cas, la précision de mesure de phases spectrales quadratiques et cubiques a été déterminée puis comparée à celle obtenue avec les autres méthodes. Les techniques LSC et SRSI ont été également utilisées pour comprimer des impulsions à leur limite de Fourier. Les avantages et inconvénients de chaque méthode sont enfin discutés.

Cette thèse présente l'utilisation d'impulsions ultracourtes pour des expériences de microscopie non-linéaire et d'optique quantique. Dans un premier temps, nous exposerons plusieurs techniques de façonnage d'impulsions et nous détaillerons en particulier le fonctionnement et la caractérisation de notre dispositif de façonnage. Nous étudierons l'utilisation d'un masque de phase 2D diffractif adressé optiquement qui permet un façonnage à la fois en phase et en amplitude spectrale. Par la suite, nous verrons comment le façonnage d'impulsions ultra-courtes peut être un outil efficace pour sélectionner les fluorophores excités en microscopie à deux photons. Pour cela, nous présenterons une expérience de contrôle cohérent de l'absorption à deux photons dans un embryon de drosophile vivant avec notre système de façonnage programmable. Ensuite nous décrirons un schéma de façonnage simplifié à base de prismes, qui, conjointement avec une approche de multiplexage temporel des impulsions, permet d'imager simultanément plusieurs fluorophores. Enfin, nous discuterons l'utilisation d'impulsions ultracourtes pour des expériences de mesures de temps et de dispersion à la limite quantique. Nous détaillerons en particulier une étude théorique et expérimentale d'un système de façonnage original à base de matériaux biréfringents pour produire la dérivée temporelle d'un champ électrique ou bien la dérivée temporelle de son enveloppe.