L’érosion est un phénomène d’arrachage et de transport de particules solides par des efforts hydrauliques au sein des ouvrages hydrauliques. Cette pathologie très représentée dans les ouvrages en terre peut conduire à la rupture, aussi, la comprendre et la maîtriser constituent des enjeux sociétaux et industriels très forts. L’érodabilité des matériaux se caractérise au travers notamment d’un essai dit d’érosion de conduit et sa modélisation numérique constitue le pivot de ce travail de thèse. Le phénomène d’érosion est un problème couplé entre le fluide et le solide et nous utiliserons deux codes construits sur des approches particulaires pour aborder le problème : ASPHODEL (ANDRITZLMFA) pour la partie fluide (méthode SPH-ALE Smoothed Particle Hydrodynamics – Arbitrary Lagrangian Eulerian) et YADE (L3S-R) pour la fraction solide (méthode DEM Discrete Element Method). Alors que YADE a été largement utilisé pour modéliser des problèmes géotechniques, ASPHODEL n’a pas encore été évalué dans un tel contexte. Ce travail constituera alors une étude de faisabilité pour l’utilisation d’ASPHODEL dans un contexte du génie civil et donnera les conditions pour espérer obtenir des résultats quantitatifs pour les phénomènes étudiés. Dans un deuxième temps, le couplage entre les deux codes sera construit dans le but d’étudier les phénomènes d’arrachage de particules le long de conduits formés à travers des matériaux granulaires cohérents. La validation du code ASPHODEL à l’échelle de la particule a été effectuée par l’étude de l’écoulement visqueux autour d’un objet 2D (cylindre) fixe et isolé de section circulaire mais aussi carrée ou triangulaire. Les forces de trainée, de portance, le coefficient de pression autour du cylindre et le nombre de Strouhal sont comparés à des résultats issus de la littérature pour différents Reynolds en régime laminaire. La validation du code ASPHODEL à l’échelle de l’échantillon a consisté à étudier un écoulement fluide entre des parois lisses ainsi que des parois constituées de particules solides fixes créant une rugosité. Le coefficient de frottement a été systématiquement calculé et comparé aux résultats issus de la littérature et le torseur fluide sur chaque particule solide des parois a été aussi évalué. Enfin, le couplage partitionné entre les deux codes fluide et solide a été construit et validé qualitativement pour le problème de la sédimentation sous gravité d’un grain solide rigide dans un fluide visqueux. / Erosion is a phenomenon related to the detachment and transport of solid particles by hydraulic efforts in hydraulic structures. This pathology which is common in earth structures can lead to their failure, therefore, the understanding and the prediction of this risk is of paramount importance. Soil erodibility is in many cases characterized through the hole erosion test and its numerical modeling is the pivot point of this thesis. The phenomenon of erosion is a coupled problem between the fluid and solid, and two particle based codes are chosen to address this problem : ASPHODEL (ANDRITZ - LMFA) for the fluid phase (method SPH – ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) and YADE (L3S -R) for the solid phase (method DEM Discrete Element method). While YADE has widely been used to model geotechnical problems, ASPHODEL has not been evaluated in this context. This work will constitute a feasibility study for the use of ASPHODEL and its ability to obtain quantitative results for the studied phenomena is addressed. Furthermore, the coupling between the two codes will be carried out in order to study the phenomena of particles detachment along conducts which walls are made with cohesive granular materials. To validate the code ASPHODEL at the particle scale, a study of the viscous flow around a 2D fixed object (cylinder) with different sections (circular, triangular and square) is performed. The drag force, the lift force, the pressure coefficient around the cylinder and the Strouhal number are compared to results obtained from the literature for different Reynolds in the laminar regime. In addition, the coefficient of friction is systematically calculated and also compared with results taken from the literature. The fluid forces on each solid particle are also evaluated. Finally, the partitioned coupling between the solid and fluid codes is developed and qualitatively validated with the problem of sedimentation under gravity of a rigid solid grain in a viscous fluid.

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

La plupart des systèmes mécaniques contiennent des contacts lubrifiés (articulations, roulements, ...) qui sont soumis à des efforts importants. Dans ce travail expérimental, on s’intéresse à l’influence de la rugosité sur la friction dans les régimes de lubrification élastohydrodynamique (EHD), mixte, et limite dans des conditions représentatives des contacts dans un moteur de voiture. Les surfaces utilisées dans ce travail sont principalement des aciers usinés industriellement, revêtus ou non de Diamond-Like Carbon (DLC). La force de friction dans les régimes mixte et limite étant bien plus importante qu’en régime EHD, il est important de pouvoir prédire les transitions d’un régime à l’autre. Le problème est que la rugosité affecte significativement les vitesses de transition entre ces régimes, de telle manière qu’il est difficile de prédire le régime de fonctionnement d’un couple donné de surfaces. Les travaux expérimentaux s’attardant sur ce problème sont rares, et les tentatives théoriques d’inclure l’effet de rugosités aléatoires reposent sur des paramètres difficiles à mesurer à cause de leur grande dépendance vis-à-vis des conditions de filtrage, d’échantillonnage, et de leur non-stationnarité. à partir de nombreuses mesures topograhiques (interférométrie et AFM), une méthode assurant la représentativité des paramètres statistiques de rugosité est donc d’abord mise en œuvre pour caractériser des surfaces dont la rugosité va du nanomètre au micron. Des expériences de Stribeck sont ensuite menées avec ces surfaces afin de corréler leur signature morphologique à leur comportement en friction. La rhéologie sous pression de lubrifiants (poly-α oléfines) est mesurée dans un contact lisse en fonction de la pression et de la température, ce qui permet de prédire quantitativement la friction en régime élastohydrodynamique pour tout couple de surfaces, mais aussi de définir un critère non phénoménologique d’entrée en régime de lubrification mixte. à haute vitesse d’entraînement, la contrainte visqueuse décroît avec le taux de cisaillement ce qui est traditionnellement attribué à un échauffement du lubrifiant. On montre que les effets thermiques ne peuvent expliquer une telle chute et on l’explique par l’étalement du profil de pression dans le convergent, phénomène significatif quand l’épaisseur de lubrifiant devient de l’ordre d’un dixième de la taille du contact. Les résultats montrent que le produit de la viscosité dans le convergent avec la vitesse d’entraînement à la transition mixte-EHD suit une loi de puissance super-linéaire avec la rugosité, tous matériaux confondus, ce qui permet de prédire cette transition en fonction de la rugosité. La transition entre régimes mixte et limite est plus complexe et laisse apparaître un comportement clairement différent entre les contacts DLC/DLC et les contacts mettant en jeu au moins une surface d’acier. Pour les contacts DLC/DLC, la friction en régime limite correspond au cisaillement plastique du lubrifiant, ce qui explique que la rugosité n’affecte pas le frottement limite de ces contacts. Le frottement des contacts acier/acier et acier/DLC est plus important et présente deux évolutions monotones avec la rugosité composite du contact, que nous interprétons grâce à des expériences tribologiques à haut taux de glissement. Finalement, un modèle de portance mixte basé sur la théorie de Greenwood-Williamson est mis en œuvre et permet de reproduire avec une précision honorable les courbes de Stribeck obtenues expérimentalement. En particulier, ce modèle permet de déterminer les conditions d’échantillonnage optimales pour déterminer les propriétés des aspérités. / Most mechanical systems include lubricated contacts submitted to important strengths. The present work deals with the influence of surface roughness on friction in the elastohydrodynamic (EHD), mixed and boundary lubrication regimes, with operating conditions that are typically those found in an internal combustion engine. Most of the surfaces used in the experiments are machined steel, with or with a Diamond-Like Carbon (DLC) coating. Given the friction in boundary and mixed lubrication being higher than in EHD lubrication, it is crucial to predict the transitions between these regimes. These strongly depend on surface roughness. There are very few experimental works that deal with this issue, and the theoretical attempts to include the influence of random surface roughness are based on roughness parameters that are difficult to measure because of their dependence towards the sampling conditions and their non-stationarity. Based on numerous topographical surveys (using interferometry and AFM), a method is implemented to ensure the representativeness of roughness statistical parameters in order to characterize a range of surface roughnesses within the interval [0.001 ; 1] μm. Then, these surfaces are rubbed against each other using Stribeck procedures in order to correlate their morphology to their friction behaviour. The high-pressure rheology of poly-α olefins is measured in smooth contacts with respect to the pressure and the temperature. This not only allows to quantify the friction force for any contact operating in EHD lubrication, but also to set a criterion to spot the onset of mixed lubrication. At high entrainment speed, the viscous shear stress vanishes, which is often attributed to shear heating. It is shown that thermal effects can not explain such a drop of friction for our own experiments. However, the widening of the pressure profile — which becomes significant when the film thickness becomes comparable to a tenth the contact length — is more likely to explain this behaviour. Our results show that the product of the inlet viscosity with the entrainment speed, spotted at the mixed-EHD transition, follows a super linear power law with the RMS roughness, whatever the materials involved, which allows to predict whether a contact operate in mixed lubrication or not. The transition from mixed to boundary lubrication reveals material and roughness-dependent with a clearly different behaviour between DLC/DLC contacts and contacts involving at least one steel body. Regarding the DLC/DLC contacts, the boundary friction is due to the plastic shearing of the lubricant, which explains why surface roughness has no influence on boundary friction for these contacts. With Steel/DLC and steel/steel contacts, the boundary friction presents two monotonous trends versus the composite RMS roughness. Eventually, a mixed bearing model based on the Greenwood-Willimason assumptions was implemented and allowed to reproduce quite closely the experimentally obtained Stribeck curves. This implementation indicates in particular the sampling conditions that are optimal to capture relevant asperity parameters.

Cette thèse a porté sur les principes de guidage, les propriétés linéaires et les outils de conception autour des fibres à cristal photonique à coeur creux (HC-PCF) à couplage inhibé (IC). Le guidage IC a été démontré comme une manifestation photonique de Q-BiC (état quasi lié dans un continuum) en étudiant des profils asymétriques et dépendants en polarisation dit Fano présentant une bande passante spectrale de 30 GHz. En utilisant le concept de IC, nous reportons la caractérisation linéaire de fibres IC HC-PCF supérieures à l’état de l’art. Par une optimisation de la forme du coeur, une fibre Kagome IC HC-PCF a démontré des pertes très faibles de 8,5 dB/km à 1030 nm associées à une bande passante à 3 dB de 225 nm. Une autre conception avec des entretoises de silice amincies à 300 nm a permis d’atteindre des pertes de 30 dB/km à 780 nm avec une bande de transmission fondamentale record décalée à 670 nm et capable de couvrir toutes les gammes spectrales du Ti:Sa, Yb et Er. Nous avons également travaillé sur la conception et la fabrication de IC HC-PCF présentant une gaine dont la structure est un réseau unique de tubes fins isolés. Une de ces fibres a permis de démontrer une transmission jusqu'à 220 nm avec des pertes records de 7,7 dB/km à ~ 750 nm, tandis qu’une seconde réalisation s’est traduit par une bande fondamentale de plus d’une octave allant de 600 à 1200 nm avec des pertes de 10-20 dB/km. Finalement, cette dernière fibre a été étudiée plus en détail pour déterminer les sources à l’origine des pertes due à la rugosité de surface présente à l’interface du contour du coeur. / This thesis reported on guiding principles, linear properties and conceptual design tools of inhibited coupling (IC) guiding hollow-core photonic crystal fibers (HC-PCF). IC guidance was proved as photonic manifestation of Q-BiC (quasi bound-state-in-a-continuum) by investigating asymmetric and polarization dependent Fano profiles with bandwidth of 30 GHz in high resolution transmission spectra. By using IC design concept, we reported on linear characterization of state-of-the-art IC HC-PCFs. Based on core shaping optimization, a Kagome IC HC-PCF demonstrated ultra-low loss down to 8.5 km/km at 1030 nm associated with a 225 nm wide 3-dB bandwidth. Another Kagome design with thinner silica struts of 300 nm exhibited lowest loss of 30 dB/km at 780 nm along with record level fundamental bandwidth spreading down to 670 nm and able to cover the entire Ti:Sa, Yb and Er laser spectral ranges. We also reported on design and fabrication of single-ring tubular lattice IC HC-PCFs. One of these fibers demonstrated transmission down to 220 nm with a record transmission loss of 7.7 dB/km at ~750 nm, while the second one exhibited ultra-broad fundamental band with loss range of 10-20 dB/km over one octave spanning from 600 to 1200 nm. Finally, the second tubular fiber was further investigated for fundamental loss sources due to surface roughness around its core-contour.

Le transport de l’hydrogène à l’utilisateur final est prévu à l’horizon 2020. Il présente les mêmes problèmes que les gaz de ville classiques du point de vue de la rupture dynamique des tuyaux mais le problème se complique encore car une couche barrière est nécessaire de sorte que les petites molécules H2 ne s’échappent pas. Les modes de rupture et leurs origines dans des tuyaux polymères multi couches sont très mal cernés, voire quasiment inconnus. L’objectif de la thèse est donc d’étudier la problématique de tuyaux polymères, à moyen terme multi couches et armés de fibres, ainsi que la rupture dynamique des matériaux composant ces tuyaux. Pour cela,une première partie est consacrée à la conception et à l’optimisation d’un système de chargement de tubes et une seconde à la détermination de la quantité totale de surface créée au passage de la fissure. Afin que la quantité totale de surface de rupture ne dépende pas de l’outil de mesure, il convient de modéliser la rugosité de surface. Une étude statistique, utilisant les outils développés par B.B. Mandelbrot pour les géométries fractales, permettra de savoir dans quelles mesures un modèle auto-affine est convenable. / The transport of hydrogen to the end user is expected in 2020. It presents the same problems as conventional city gas in terms of the dynamic fracture of pipes but the problem is further complicated because of a barrier layer which is necessary to ensure that small H2 molecules do not escape. The failure modes and their origins in polymer multilayer pipes are very poorly understood and almost unknown. The aim of the Ph.D thesis is to study the problematic of polymer gas pipes, multilayer and composite, as well as the dynamic fracture of materials of these pipes. For this, the first part is devoted to the design and optimization of an experimental system of loading pipes. The second part consists to determine post-mortem the total amountof created surface after rapid crack propagation. To prevent the dependence of the amount of fracture surface with the measurement tool, the surface roughness should be modelled. A statistical study of the fracture surface 2 roughness, using the tools developed by B.B. Mandelbrot for fractal geometries, will allow to know when a self-affine model is suitable.

Les aspects biologiques ne sont généralement pas considérés lors de la conception des ouvrages de génie civil, malgré que la biocolonisation puisse affecter leur durabilité. Cette thèse s’intéresse à l’encrassement biologique des matériaux cimentaires en eau de rivière. Un essai de biocolonisation phototrophe accélérée, simulant les conditions en rivière a été mis au point et validé. Il a permis l’étude de pâtes cimentaires de différentes formulations. La colonisation a été évaluée par le taux de recouvrement de la surface, estimé par une méthode proposée d’analyse d’images. Une étude de l’influence de la rugosité sur la bioréceptivité du matériau a été réalisée à travers plusieurs paramètres de différentes natures et la densité de pics (paramètre d’espacement) a montré l’influence la plus déterminante. Un modèle a été proposé pour expliquer cette influence et a donné des résultats satisfaisants. Les influences de la porosité et du pH semblent être limitées dans les conditions de l’essai. Enfin, la micro-indentation a été adaptée pour l’évaluation mécanique de la détérioration des pâtes cimentaires sur de faibles épaisseurs. Cette technique pourra être utilisée pour évaluer la biodétérioration. / The biological aspects are generally not considered in the design of civil engineering works, although the biocolonisation may affect their durability. This thesis focuses on biofouling of cementitious materials in river water. A laboratory accelerated test of phototrophic biocolonisation, simulating the river conditions, was developed and validated. It allowed the study of cement pastes of different formulations. Colonization was assessed by the recovery rate of the surface, estimated by a proposed method of image analysis. A study of the roughness influence on the bioreceptivity of the material was conducted through several roughness parameters of different natures, and the peaks density (a spacing parameter) showed the most decisive influence. A model was proposed to explain this influence and gave satisfactory results. The influences of porosity and pH appeared to be limited in the test conditions. Finally, micro-indentation was adapted to the mechanical evaluation of the deterioration of thin layers of cement pastes. This technique may be used to evaluate the biodeterioration.

Le travail de cette thèse porte sur la réalisation de substrats SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) pour la détection d'espèce chimiques et biologiques. Il s'agit de mettre en place des méthodologies utilisant comme surface de départ celle d'une couche poreuse de silicium et un effet de Plasmon de surface induit par la présence d'un métal noble en général. Les spécificités des couches poreuses qui sont d'une part une rugosité nanométrique et d'autre part une porosité et donc une surface interne modulable ont une incidence directe sur la sensibilité de détection de molécules cibles. Nous avons développé dans ce manuscrit de thèse différentes méthodes d'élaboration de substrats SERS à base de couches poreuses de silicium. Nous avons envisagé deux voies, la première se base sur l'utilisation des nanoparticules d'or en solution colloïdale. La deuxième voie, plus originale, utilise le dépôt d'or par pulvérisation cathodique sur une couche poreuse préparée sur la face rugueuse de silicium. Des résultats SERS intéressants, concernant la détection de molécules chimique (Rhodamine 6G) et biologique (Albumine Sérum Bovin), ont été décrits et expliqués permettant d'envisager diverses solutions afin de les optimiser. / The work of this thesis focuses on the realization of SERS substrates (Surface Enhanced Raman Scattering) for the detection of chemical and biological species. This is to implement the methodologies using as the starting surface of a porous silicon layer and a surface Plasmon effect induced by the presence of a noble metal in general. The specificities of the porous layers which are firstly a nanometer roughness and secondly a porosity and therefore an inner surface have a direct impact on the target molecule detection sensitivity. We have developed in this PhD thesis different substrates development methodologies SERS-based on porous silicon layers. We considered two ways, the first is based on the use of gold nanoparticles in colloidal solution. The second route, more original, uses the deposition of gold by sputtering on a porous layer prepared on the rough side of a silicon wafer. Interesting SERS results regarding the detection of chemical (Rhodamine 6G) and biological (Bovin Serum Albumin) molecules, have been described and explained for considering various solutions to optimize them.

Cette thèse porte sur la dynamique, normale à l'interface, d'un contact sec en glissement stationnaire entre deux surfaces de topographies aléatoires, soumis à une faible charge normale. Dans ce contexte, le mouvement d'un patin sous son propre poids a été étudié expérimentalement. Des mesures par vibrométrie laser du déplacement et de la vitesse normale du patin ont confirmé que, lorsque la vitesse de glissement augmente, le patin transite entre un régime où le contact est permanent vers un régime dynamique où il subit décollements, chocs et rebonds.À basse vitesse, le mouvement normal résulte d'un filtrage géométrique des topographies. Les caractéristiques statistiques et spectrales de ce mouvement ont pu être décrites. Les influences de la rugosité, de la longueur de corrélation, de la largeur de bande du spectre de rugosité et de l'aire apparente de contact ont été identifiées et analysées. Ces résultats ont pu être reproduits par des modèles numériques, mais aussi analytiques en adaptant la théorie des valeurs extrêmes. Des modèles de type Bouncing Ball, dont l'excitation est supposée donnée par le processus de filtrage géométrique, ont également été mis en place. Ils reproduisent une large gamme d'observations en régime dynamique, de la transition aux vibro-impacts.Pour tester certaines hypothèses des modèles mis en place, un patin multi-voies original a été développé et a permis d'accéder à la localisation spatiale des micro-contacts transitoires entre surfaces antagonistes. On observe que les micro-contacts sont gouvernés par une longueur caractéristique à basse vitesse de glissement et par un temps caractéristique à haute vitesse. Les rotations du patin deviennent importantes à haute vitesse, modifiant la répartition des micro-contacts à la surface du patin. / This PhD thesis addresses the issue of the dynamics, normal to the interface, of a dry steady-sliding contact between two random topographies under weak normal load. In this context, the motion of a slider under its own weight has been studied experimentally. Measurements, using a laser vibrometer, of the normal displacement and velocity of the slider confirm the existence of a transition, as the sliding speed increases, from a regime of permanent contact to a regime of lift-offs, shocks and rebounds.At low speed, the normal motion is due to a geometrical filtering of the topographies, the statistical and spectral properties of which have been described. The roles of the roughness, including its spectral breadth and correlation length, and of the apparent contact area have been identified and analyzed. Those results have been reproduced not only using numerical models, but also using analytical ones based on the extreme value theory. Bouncing-Ball-like models, the excitation of which is assumed to be given by the geometrical filtering, have also been implemented and match with a broad range of experimental observations in dynamical regime, from the transition to vibro-impacts.To test some of the hypothesis of the models, a new experimental multi-channel slider has been designed and has enabled access to the spatial localization of the transient micro-contacts between the antagonists surfaces. It has been shown that micro-contacts are governed by a characteristic length at low sliding speed and by a characteristic time at high speed. The rotational motion of the slider also increases with sliding speed, changing the micro-contact distribution along the surface of the slider.

L’irradiation des matériaux par des impulsions laser ultrabrèves déclenche un agencement anisotrope de la matière à l’échelle nanométrique: des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS). L'énergie laser déposée et distribuée de manière inhomogène dans le matériau induit des contraintes thermiques locales et des changements de phase transitoires entraînant ainsi des modifications microstructurales. Cette thèse porte sur le rôle de l'altération de la surface irradiée ainsi que les modifications microstructurales en profondeur dans la contribution à la formation des LIPSS, en établissant une corrélation entre l'auto-organisation de la matière et la génération de défauts en tenant en compte de l'orientation cristalline. Comme les LIPSS sont générés au seuil de transition de phase, l’étude de la corrélation avec les défauts induits est alors pertinente. Une étude expérimentale couplée à des simulations de dynamique moléculaire effectuées à l’Université de Virginie suggère que l'altération de surface générée par une irradiation d'échantillons monocristallins de Chrome dans le régime de spallation est susceptible de jouer un rôle majeur dans le déclenchement de génération de LIPSS de haute fréquence spatiale. La microscopie à force atomique ainsi que les résultats de simulations attestent que les caractéristiques de rugosité de surface à l'échelle nanométrique dépendent de l'orientation cristalline. La forte rugosité de surface générée par la première impulsion laser active la diffusion de la lumière laser et l’exaltation du champ local lors des irradiations ultérieures, ce qui génère des structures LIPSS de haute fréquence plus prononcés du côté (100) que celle du (110). Une étude expérimentale approfondie, utilisant la microscopie électronique rétrodiffusés et transmission, a révélé que le Cr (110) est plus susceptible d'être endommagé que les autres orientations cristallines de surface. On constate que les défauts induits par le laser peuvent altérer la topographie de surface et la région sous-jacente, ce qui peut avoir un impact sur les caractéristiques des centres de rugosité favorisant la formation de structures de fréquence spatiale élevée. Afin d’accéder à la transition de phase subie dans la région de formation des LIPSS, une approche d'analyse microstructurale à haute résolution couplée à des calculs hydrodynamiques est utilisée, comprenant la croissance épitaxiale et la nanocavitation. La formation de structures de fréquence spatiale élevée est le résultat de nanocavités périodiques piégés sous la surface, ainsi que des nanocavités apparues à la surface des matériaux cubiques faces centrées.De plus, étant donné que le feedback dans la formation des LIPSS est souvent évoquée, le comportement dynamique des surfaces a été sondé par microscopie électronique à photoémission et étayé par des calculs électromagnétiques. Un caractère périodique des photoélectrons émis par les creux des LIPSS a été mis en évidence, ce qui a permis de vérifier la modulation du dépôt d'énergie.Le travail effectué contribue non seulement à progresser vers l'objectif général d’élucider le phénomène complexe multi-échelles de la formation des LIPSS, mais ouvre une nouvelle voie expérimentale pour générer des structures non conventionnelles avec des périodicités extrêmes (~60nm), offrant ainsi de nouvelles opportunités pour le traitement laser ultrarapide des métaux. / Irradiation of materials by ultrashort laser pulses triggers anisotropically structured arrangement of matter on the nanoscale, the so-called laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ‘ripples’. Ultrashort laser energy deposited and distributed inhomogeneously in the material launches local thermal stresses and transient phase changes yielding microstructural modifications. This thesis focuses on the role of irradiated surface alteration as well as in-depth microstructural modifications in promoting LIPSS formation, by establishing a correlation between self-organization of matter and defect generation taking into account crystalline orientation. Since LIPSS are generated at the threshold of phase transition, then the correlation with defects formation is relevant. An experimental study coupled with molecular dynamic MD simulations performed in the University of Virginia suggest that surface alteration generated by a single pulse irradiation of monocrystalline Cr samples in the spallation regime is likely to play a main role in triggering high-spatial frequency LIPSS generation upon irradiation by multiple laser pulses. Atomic force microscopy as well as computational results suggested that the nanoscale surface features are crystalline orientation dependent. The higher surface roughness generated by the first laser pulse activates scattering of the laser light and the local field enhancement upon irradiation by the second laser pulse, leading to the formation of much more pronounced high-spatial frequency structures on the (100) surface as compared to (110) one. An extended in-depth experimental study, using electron backscattered and transmission microscopy, combined with large-scale two-temperature model TTM-MD simulations revealed that Cr (110) is more likely to get damaged. It is found that laser-induced defects can alter the surface topography and the region beneath it which can impact in turn the roughness center features promoting high-spatial frequency structures formation. In order to infer the phase transition undergone in the LIPSS region, a high resolution microstructural analysis approach coupled with hydrodynamic calculations is employed, including epitaxial regrowth and nanocavitation. High-spatial frequency structures formation is found to be the result of periodic nanovoids trapped beneath the surface as well as nanocavities emerged at the surface on fcc materials. Furthermore, since optical feedback in LIPSS is often evoked, the behavior of dynamical surfaces was probed by photoemission electron microscopy and supported by electromagnetic calculations. A periodic character of photoelectrons emitted from nanoholes was unveiled, which in turn verified a modulated energy deposition. The performed work not only contributes to the progress towards the general goal of untangling the complex multiscale phenomenon of the LIPSS formation, but unlocks a new experimental setup to generate unconventional structures with extreme periodicities (~60 nm), which offers new opportunities in ultrafast laser processing of metals.

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