La compréhension des réactions biochimiques qui se déroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace.<br />Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée.<br /><br />Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm-1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique de HOT SPIDER temporel, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 µm. <br /><br />Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la présence d'une anharmonicité électrique importante.

La compréhension des réactions biochimiques qui se d'eroulent au sein des protéines est un enjeu fondamental de la biologie actuelle. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés aux premières étapes de ces réactions, qui se produisent à l'échelle de la centaine de femtosecondes. Traditionnellement, l'étude de ces premières étapes se fait à l'aide d'impulsions ultracourtes dans le domaine visible ou ultraviolet : ces impulsions font passer la molécule sur un état électronique excité, ce qui permet de déclencher la réaction étudiée de manière ultrarapide et très efficace. Dans ce travail, nous avons exploré une nouvelle voie d'excitation des molécules biologiques : nous avons utilisé des impulsions infrarouges, de manière à placer l'énergie directement dans les vibrations de la molécule. Cette technique permet théoriquement d'explorer la surface de potentiel de la protéine loin de sa région harmonique, et même d'approcher l'état de transition de la réaction catalysée par la protéine. Pour communiquer le plus d'énergie possible à la molécule, nous avons utilisé des impulsions infrarouges intenses et à dérive de fréquence qui permettent de gravir efficacement l'échelle vibrationnelle considérée. Dans une première étape, nous avons engendré des impulsions infrarouges intenses dont l'énergie est de quelques microjoules et le spectre s'étend sur 170 cm−1 environ. Nous avons ensuite caractérisé ces impulsions par diverses méthodes : nous avons notamment mesuré leur phase spectrale au moyen d'une technique HOT SPIDER, ce qui constitue la première mesure de phase spectrale autoréférencée pour des impulsions centrées autour de 10 μm. Dans une seconde étape, nous avons utilisé ces impulsions infrarouges pour exciter la vibration d'une molécule de CO liée à la myoglobine, puis à l'hémoglobine. Dans ce dernier cas, nous avons démontré l'ascension vibrationnelle de la molécule de CO jusqu'au 7ème niveau excité : nous avons ainsi réalisé la première expérience d'ascension vibrationnelle dans une molécule biologique ou plus généralement dans une macromolécule. Cette technique d'excitation nous a permis d'obtenir des données spectroscopiques nouvelles sur la carboxy-hémoglobine telles que la position et la largeur des raies d'absorption des différentes transitions vibrationnelles, les temps de vie des niveaux excités ainsi que la presence d'une anharmonicité électrique importante.

Dans cette thèse, j'ai étudié théoriquement l'interaction d'atomes et de molécules avec des impulsions laser brèves, intenses et basse-fréquences. En insistant sur la phase spectrale, nous utilisons la génération d'harmoniques d'ordres élevés comme processus auto-sonde pour étudier les dynamiques attoseconde. Nous résolvons l'équation de Schrödinger avec des modèles simples, numériquement ou en utilisant une théorie semi-analytique, nous permettant ainsi d'obtenir des informations approfondies sur les processus physiques mis en jeu, à travers des explications intuitives, tout en gardant une propension prédictive. Avec des outils développés pour analyser nos résultats numériques, nous étudions d'abord la dynamique d'ionisation dans une molécule modèle telle que N2. Puis, en réexaminant les interférences à deux centres, nous mettons au jour un comportement très intéressant, lié à l'habillage de l'état fondamental par le laser, et confirmé par des développements analytiques. Nous prédisons la possibilité d'observer ce phénomène expérimentalement par l'intermédiaire des interférences de chemins quantiques. Enfin, nous étudions les effets de la vibration des noyaux dans les molécules diatomiques en couplant le mouvement des électrons avec celui des noyaux. Nous montrons que pour de telles impulsions laser, l'excitation vibrationnelle de la molécule neutre peut être induite par effet Raman. Nous invalidons alors une théorie non corrélée, nommée Lochfraß, qui base son interprétation sur la dépendance du rendement d'ionisation avec la distance internucléaire. Enfin, nous proposons de prolonger à un modèle analytique standard la notion de potentiel d'ionisation dans les molécules. / In this thesis, I studied theoretically atoms and molecules interacting with a short, low-frequency and intense laser pulse, in the typical regime of high-order harmonic generation (HHG). We use HHG as a self-probe process to examine electronic and nuclear dynamics on the attosecond scale with Ångström resolution, insisting on the spectral phase. By using simple models, we are able to solve extensively the time-dependent Schrödinger equation, either numerically or with the Strong Field Approximation (SFA). Our models give us valuable physical insights on the underlying dynamical processes and intuitive explanations while keeping a predictive propensity. With efficient tools developed to analyze our numerical results, we first investigate the ionization dynamics through a shape resonance in a model molecule such as N2. Secondly, we take another look at two-center interferences, and uncover a very interesting behavior which is linked to the dressing of the electronic ground-state by the laser field. It is indeed confirmed by additional developments of molecular SFA. We predict that this behavior can be observed experimentally using quantum path interferences. Finally, we examine the effect of nuclear vibration in diatomic molecules by coupling consistently electronic and nuclear motions. Our results show that with short pulses, nuclear motion in the neutral molecule can be triggered by Raman effect. Thus, we invalidate an uncorrelated theory, so called Lochfraß, which focuses on the dependence of the ionization yield with internuclear distance as an explanation. Lastly, we question the extension within SFA of the notion of ionization potential in molecules.