Le travail de thèse est consacré aux interactions spatio-, temporo- et spectro- résolue de laser avec des tissus biologiques. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'influence des nanoparticules colloïdales embarqués dans les tissus biologiques multicouches sur leurs propriétés optiques afin de fournir plus profond et / ou plus précise de sondage. Pour ce faire, les paramètres spectroscopiques intégrales et durée de vie de fluorophore dans les environs de nanoparticules métalliques ont été analysées théoriquement et expérimentalement. L’autre partie de l'étude était de proposer de nouvelles solutions algorithmiques pour l'amélioration de la performance du processus d'estimation des valeurs des propriétés optiques de la résolution spatiale des mesures spectroscopiques. La dernière partie de la thèse est la modélisation expérimentale et théorique de la cinétique de fluorophores en présence des nanoparticules d'or colloïdales. La composante ultra-courte pico-seconde (environ 100 ps) a été résolue et a été corrélée à champ dipolaire forte des nanoparticules qui compense le dipôle de la molécule / The thesis work is devoted to spatially-, temporally- and spectrally- resolved laser and biological tissue interactions. The aim of the present thesis was to investigate the influence of colloidal nanoparticles embedded into multilayered biological tissues on their optical properties in order to provide deeper and/or more precise probing. To do so, the integral spectroscopic parameters and lifetime of fluorophore in vicinity of metal nanoparticles were analyzed theoretically and experimentally. Another part of the study was to propose new algorithmic solutions for improving the performance of the estimation process of the optical properties values from spatially resolved spectroscopic measurements. The last part of the thesis was the experimental and theoretical modelling of fluorophore’s kinetics in presence of colloidal gold nanoparticles. The ultra-short pico-second component (around 100 ps) was resolved and correlated to strong nanoparticles dipole field which is compensating the molecule’s dipole

L'intérêt de la recherche fondamentale pour les morceaux nanométriques de métaux nobles est principalement dû à la résonance localisée des plasmons de surface (LSPR) dans l'absorption optique. Différents aspects, liés à la compréhension théorique de la LSPR dans le cas de clusters de métaux nobles de taille dite intermédiaire, sont étudiés dans ce manuscrit. Afin d'avoir une vision plus large nous utilisons deux approches : l'approche électromagnétique classique et le formalisme ab initio en temps réel de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (RT-TDDFT). Une comparaison systématique et détaillée de ces deux approches souligne et quantifie les limitations de l'approche électromagnétique lorsqu'elle est appliquée à des systèmes de taille quantique. Les différences entre les excitations plasmoniques collectives et celles impliquant les électrons d, ainsi que leurs interactions, sont étudiées grâce au comportement spatial des densités correspondantes. Ces densités sont obtenues en appliquant une transformée de Fourier dans l'espace à la densité obtenue par les simulations DFT utilisant une perturbation delta-kick. Dans ce manuscrit, des clusters de métaux nobles nus et protégés par des ligands sont étudiés. En particulier, motivé par de récents travaux sur les phénomènes d'émergence de plasmon, l'étude par TD-DFT de nano-alliages Au-Cu de taille tout juste inférieure à 2nm à fourni de subtiles connaissances sur les effets d'alliages sur la réponse optique de tels systèmes. / The fundamental research interest in nanometric pieces of noble metals is mainly due to the localized surface-plasmon resonance (LSPR) in the optical absorption. Different aspects related to the theoretical understanding of LSPRs in `intermediate-size' noble-metal clusters are studied in this thesis. To gain a broader perspective both the real-time \ai formalism of \td density-functional theory (RT-TDDFT) and the classical electromagnetics approach are employed. A systematic and detailed comparison of these two approaches highlights and quantifies the limitations of the electromagnetics approach when applied to quantum-sized systems. The differences between collective plasmonic excitations and the excitations involving $d$-electrons, as well as the interplay between them are explored in the spatial behaviour of the corresponding induced densities by performing the spatially resolved Fourier transform of the time-dependent induced density obtained from a RT-TDDFT simulation using a $\delta$-kick perturbation. In this thesis, both bare and ligand-protected noble-metal clusters were studied. In particular, motivated by recent experiments on plasmon emergence phenomena, the TDDFT study of Au-Cu nanoalloys in the size range just below 2~nm produced subtle insights into the general effects of alloying on the optical response of these systems.