Surface Plasmon Polaritons (SPPs) are considered to be attractive components for plasmonics and nanophotonic devices due to their sensitivity to interface changes, and their ability to guide and confine light beyond the diffraction limit. They have been utilized in SPP resonance sensors and near field imaging techniques and, more recently, SPP experiments to monitor and control ultrafast charge carrier and energy relaxation dynamics in thin films. In this thesis, we discuss excitation and propagation properties of ultrafast SPPs on thin extended metal films and SPP waveguide structures. In addition, localized and propagating surface plasmon interactions in functional plasmonic nanostructures will also be addressed. For the excitation studies of ultrafast SPPs, we have done detailed analysis of femtosecond surface plasmon pulse generation under resonant excitation condition using prism coupling technique. Our results show that photon-SPP coupling is a resonant process with a finite spectral bandwidth that causes spectral phase shift and narrowing of the SPP pulse spectrum. Both effects result in temporal pulse broadening and, therefore, set a lower limit on the duration of ultrafast SPP pulses. These findings are necessary for the successful integration of plasmonic components into high-speed SPP circuits and time-resolved SPP sensors. To demonstrate interactions between localized and propagating surface plasmons, we used block-copolymer based self assembly techniques to deposit long range ordered gold nanoparticle arrays onto silver thin films to fabricate composite nanoparticle thin film structures. We demonstrate that these gold nanoparticle arrays interact with SPPs that propagate at the film/nanoparticle interface and therefore, modify the dispersion relation of SPPs and lead to strong field localizations. These results are important and advantageous for plasmonic device applications. For the propagation studies of ultrafast SPPs, we have designed and constructed a home-built femtosecond photon scanning tunneling microscope (fsPSTM) to visualize ultrafast SPPs in photonic devices based on metal nanostructures. Temporal and phase information have been obtained by incorporating the fsPSTM into one arm of a Mach-Zehnder interferometer, allowing heterodyne detection. Understanding plasmon propagation in metal nanostructures is a requirement for implementing such structures into opto-electronic and telecommunication technologies.

La microscopie multiphotonique est une modalité d’imagerie de pointe offrant des opportunités d’avancées remarquables en biologie mais aussi dans le domaine médical. Afin d’en exploiter pleinement le formidable potentiel au cœur même de la pratique clinique, le développement de nombreuses sondes miniaturisées à fibre optique pour l’endomicroscopie multiphotonique (EMMP) a eu lieu depuis de nombreuses années et dans de nombreux laboratoires français et étrangers. Il s’est pour l'instant confronté à des limitations majeures comme l’impossibilité de recueillir les signaux d’auto-fluorescence des tissus qui sont intrinsèquement faibles comme ceux venant des co-enzymes métaboliques NADH et FAD. Cette limitation compromet l'utilité de l’EMMP en la restreignant à une imagerie morphologique requérant un marquage exogène des tissus. Ce manuscrit présente une architecture d’EMMP permettant de dépasser cette limitation, capable de proposer une imagerie fonctionnelle du métabolisme cellulaire en temps réel, in vivo, in situ, sans marquage. Le prototype d’EMMP proposé est une amélioration du précédent, où les Grisms en réflexions sont remplacés par des Grisms en transmission, permettant d’élargir la bande spectrale d’utilisation et la transmission du système. Ce prototype voit aussi l’adjonction d’un second laser excitateur afin d’accéder aux fluorescences du NADH et du FAD. Les résultats démontrent capable que nous sommes à même d’imager les fluorescences cellulaires intrinsèques au travers de 5 mètres de fibre optique avec une résolution subcellulaire. Parmi celles-ci nous sommes capables d’exciter et de collecter spécifiquement les fluorescences du NADH et du FAD. Enfin nous détectons assez de photons pour disposer d‘informations quantitatives et donc de proposer une image du rapport d’oxydo-réduction optique en endomicroscopie. / Nonlinear microscopy is a cutting edge imaging modality leading to remarkable step forward in biology but also in the clinical field. To use it at its full potential and at the very heart of clinical practice, there has been several development of fiber-based micro-endoscope. The application for those probes is now limited by few major restrictions, such as the impossibility to collect auto-fluorescence signal from tissues theses being inherently weak such as the fluorescence from NADH or FAD. This limitation reduces the usefulness of the micro-endoscope effectively restraining it to morphological imaging modality requiring staining of the tissue. Our aim is to go beyond this limitation, showing cellular metabolism monitoring, in real time, without any staining. The experimental setup is an upgrade of our precedent one where the reflection- based Grism stretcher is replace with a new generation transmission-based Grism stretcher. Another Laser was also added in order to tune the first laser at 860nm to allow FAD imaging and the second one to 760nm for NADH. The results prove that we assess and image the level of NADH and FAD at subcellular resolution through a five-meter-long fiber. Thus we demonstrate that we are capable of measuring the optical redox ratio in a micro-endoscopic configuration.

La course vers les impulsions ultra-courtes et énergétiques est en plein essor avec le développement de nombreuses applications. Dans ce manuscrit, plusieurs méthodes de réduction de la durée d'impulsion énergétique sont étudiées. La mise en oeuvre d’un système de post-compression basé sur le principe de SPM-NER dans une lame de silice a tout d'abord permis de produire, à partir d'impulsions de 50 fs, des impulsions de 16 fs-5mJ. Dans une seconde partie, nous proposons une nouvelle méthode de post-compression efficace basée sur l'ionisation d'un gaz rare dans un capillaire creux. Cette technique a permis d'obtenir à la fois des impulsions ultra-courtes et des énergies importantes (11 fs-13 mJ). Les résultats d'une modélisation réalisée au CEA/SPAM, en bon accord avec les résultats expérimentaux, ont permis d'approfondir la compréhension des divers mécanismes mis en jeu. Afin de produire des impulsions encore plus courtes, il est nécessaire de travailler directement dans les chaînes laser, en amont du système de post-compression. Le rétrécissement spectral par le gain dans leTi:saphir des chaînes laser, limite en général les durées des impulsions à 30 fs. Ce phénomène, étudié lors de cette thèse, a été compensé grâce à une modulation de perte spectrale (filtre) dans le pré-amplificateur (cavité régénérative), localisée au maximum de la courbe de gain. Des impulsions de l’ordre de 20 fs ont été obtenues. Ces études ont été complétées par une modélisation de l'amplification des impulsions qui s'est avérée en très bon accord avec les mesures expérimentales. La possibilité de combiner ces procédés permettra, àcourt terme, la production d'impulsions laser sub-10 fs énergétiques (~10 mJ) pour générer des impulsions XUV attosecondes isolées. / High energy ultrashort pulses are highly desirable for many applications. In thismanuscript, we described several methods for pulse duration reduction at high energy. A postcompressionsystem, using SPM-NER in a fused silica plate, has firstly provided 16 fs-5mJpulses, from 50 fs pulses. In a second part, we present a new efficient post compressiontechnique, achieved through ionization of gas in a capillary. With this technique, ultrashortand high energy pulses have been reached (11 fs-13 mJ). Results from modeling done atCEA/SPAM, in good agreement with the experimental ones, have been used to understanddeeply all the involved mechanisms. In order to get even shorter pulses, it is incontrovertibleto work on the laser chain, in front of the post-compression systems. In general, due tospectral gain narrowing in Ti:Saphir laser chain, the pulse duration is limited to 30 fs. Thiseffect, investigated in this thesis, has been compensated by modulating the spectral losses(filter) in the pre-amplifier (regenerative cavity), localized at the gain curve maximum. Pulseduration in the order of 20 fs has been obtained. This study has been completed with a pulseamplification model that shows very good agreement with the experimental measurements.The possibility to combine these processes should generate, in the short term, high energy (10mJ) sub-10 fs laser pulses to produce isolated XUV attosecond pulses.