La technologie actuelle des lasers ultrabrefs permet de délivrer des impulsions d'une énergie de quelques dizaines de joules dont la durée est de l'ordre de la dizaine de femtosecondes. Focaliser fortement de telles impulsions permet d'obtenir des valeurs d'éclairement considérables, qui sont notamment utilisées pour générer des faisceaux de particules relativistes. Le bon fonctionnement des lasers de ultra-haute intensité nécessite un excellent contrôle des propriétés du faisceau en tout point de la chaîne d'amplification. Développer un tel niveau de contrôle exige de pouvoir mesurer les imperfections temporelles et spatiales des impulsions avec une très grande précision. Cependant, les instruments de mesure utilisés jusqu'à présent négligent un aspect important de la structure des impulsions lasers, qui est lié aux couplages spatio-temporels. Ces derniers représentent une classe particulière d'imperfections, dont l'influence sur les expériences d'ultra-haute intensité a longtemps été négligée. Les rares instruments capables de mesurer ces défauts spécifiques sont pour la plupart inadaptés à la caractérisation de faisceaux de haute énergie. Le travail présenté dans cette thèse a porté sur l'instrument TERMITES, qui permet la caractérisation totale d'impulsions ultrabrèves, ainsi que leur restitution en trois dimensions. TERMITES est une technique auto-référencée qui est basée sur la spectroscopie par transformée de Fourier résolue spatialement. Une première partie de la thèse présente l'étude détaillée et l'optimisation de l'instrument TERMITES. Dans un deuxième temps, différents systèmes laser sont caractérisés grâce à cet instrument, permettant ainsi d'établir la première revue expérimentale des différentes origines de couplages spatio-temporels dans les lasers ultrabrefs.