Les structures périodiques de surface induites par laser femtoseconde(fs-LIPSS) attirent l'attention scientifique et technique en raison de la possibilité de produire des nanostructures en dessous de la longueur d'onde optique. Ces éléments sont essentiels pour l'ingénierie de surface et les procédés, notamment en tribologie, mouillabilité, la mécanique, le marquage et la lutte contre la contrefaçon. Selon le régime d'interaction laser, en particulier la fluence du laser, le nombre d'impulsions et le type de matériaux, les impulsions ultracourtes peuvent induire des basses et des hautes fréquences spatiales-LIPSS (LSFL et HSFL), avec l'orientation perpendiculaire (┴E) ou parallèle (║E) à la polarisation du laser. Compte tenu de leur potentiel pour la nano-fabrication, ce travail se concentre sur les mécanismes potentiels de formation des LIPSS, en particulier la formation des HSFL sur les alliages métalliques. Afin d'étudier les indices optiques transitoires de matériaux excités dans la formation fs-LIPSS, nous avons d'abord développé de l’ellipsométrie résolue en temps afin de mesurer les indices optiques dynamiques des matériaux excités. Ainsi, nous avons obtenu un aperçu de la dynamique de la fonction diélectrique intrinsèquement liée à la configuration électronique et au réseau cristallin. Des simulations de premiers principes sont ensuite utilisées pour révéler la façon dont la configuration électronique change au cours de l'excitation, responsable d’indices optiques transitoires. Les effets des indices optiques transitoires sont pris en compte dans les mécanismes de formation de LIPSS. Sur la base d’expériences de formations des fs-LIPSS sur six matériaux différents, incluant du tungstène métallique, du silicium semiconducteur, de la silice fondue diélectrique, un superalliage monocristallin CMSX-4, un alliage amorphe de Zr-BMG et son alliage cristallin correspondant Zr-CA, nous étudions les mécanismes de formation des LIPSS dans le domaine électromagnétique par des simulations de différences finies dans le domaine temporel (FDTD), liées à la distribution d'énergie électromagnétique suivie par la dynamique de l'excitation optique et par l'évolution de la topologie avec le nombre d’impulsions et les matériaux. Nous nous concentrons sur l'origine électromagnétique de la formation des LIPSS et révélons un facteur principal potentiel de leur formation. Elle peut être expliquée par la modulation de l'énergie déposée sur la surface par des effets électromagnétiques. La modulation de l'énergie provient principalement de l'interférence entre le laser incident et les ondes de surface diffusées (pour LSFL ( ┴ E)), complétée par l'interférence entre les ondes de surface diffusées (pour HSFL (┴E)). Spécialement, pour HSFL (║E) sur Zr-CA, nous avons proposé que les scénarios de formation reposent sur des processus individuels d’exaltation anisotrope du champ. La topologie de surface, évoluant avec le nombre d'impulsions laser, induit une modulation d'énergie déposée sur la surface définie et amplifiée par la rétroaction / Femtosecond laser-induced periodic surface structures (fs-LIPSS) attract the scientific and technical attention due to the ability to produce nanostructures below the optical wavelength. These are essential for surface engineering and treatment, notably in tribology, wettability, mechanics, marking and counterfeiting. Depending on the regime of laser interaction, particularly on the laser fluence, pulse number and material type, ultrashort pulses can induce the low- and high-spatial-frequency-LIPPS (LSFL and HSFL), with the orientation perpendicular (┴E) or parallel (║E) to the laser polarization. Considering their potential in the nano-manufacturing, this work focuses on potential mechanisms for LIPSS formation, especially HSFL formation on the metallic alloys. In order to investigate the transient optical indices of excited materials in fs-LIPSS formation, we first developed time-resolved ellipsometry to measure dynamic optical indices of excited materials. Thus we gain insights in the dynamics of the dielectric function where this is intrinsically related to the electronic configuration and lattice structure. First principle simulations are then used to reveal how the electronic configuration changes during the excitation, responsible for the transient optical indices. The effects of transient optical indices are considered in the LIPSS formation mechanisms. Based on the experiments of fs-LIPSS formations on six different materials, involving metal tungsten, semiconductor silicon, dielectric fused silica, single-crystal superalloy CMSX-4, amorphous alloy Zr-BMG and its corresponding crystal alloy Zr-CA, we investigate the LIPSS formation mechanisms in the electromagnetic domain by finite-difference time-domain (FDTD) simulations, related to the electromagnetic energy distribution followed by the dynamics of optical excitation, evolving topologies with pulse number and materials.We focus on the electromagnetic origin of LIPSS formation and reveal a potential primary factor for LIPSS formation. LIPSS formation can be explained by deposited energy modulation on surface via electromagnetic effects. The energy modulation mainly comes from the interference between incident laser and scattered surface wave (for LSFL(┴E)), being complemented by the interference between scattered surface waves (for HSFL(┴E)). Specially, for HSFL (║E) on Zr-CA, we proposed that the formation scenarios rely on individual anisotropic field-enhancement processes. The evolving surface topology with laser pulse number leads to a feedback-driven energy modulation deposited on surface

Lorsqu'elles se propagent dans l'air les impulsions laser ultrabrèves (fs) et de forte puissance forment des filaments ionisés sur de longues distances, où est produit un continuum de lumière blanche qui s'étend de l'ultraviolet (230 nm) à l'infrarouge (4,5 µm). Ce processus fortement non-linéaire résulte d'un équilibre dynamique entre deux effets dus au profil spatial du faisceau : la focalisation par effet Kerr, et la défocalisation par le plasma issu de l'ionisation multiphotonique de l'air. Mon travail de ces dernières années, présenté ici, est consacré à l'étude de cette propagation non-linéaire, et à ses applications pour la physique de l'atmosphère.<br />Une première catégorie d'applications, comme le Lidar à lumière blanche, repose sur l'exploitation du continuum de lumière blanche, par exemple pour réaliser une télédétection multi-composants dans l'air. Une seconde famille repose sur la capacité des filaments de délivrer à grande distance des intensités suffisantes pour induire in situ des effets non-linéaires à distance. Nous avons utilisé cette propriété pour identifier à distance des simulants d'aérosols biologiques ou des cibles solides. Enfin, l'ionisation de l'air dans le filament nous a permis de contrôler des décharges électriques de haute tension, ouvrant la voie vers un paratonnerre laser.

Cette thèse se concentre sur l'étude numérique de l'interaction laser ultrabref avec les diélectriques transparents. En particulier, le phénomène d'auto-organisation des nanoréseaux dans la silice est discuté et un modèle multiphysique est proposé pour expliquer le mécanisme de leur formation. Les nanoréseaux en volume sont des nanostructures périodiques de périodicité sub-longueur d'onde, qui consistent en un matériau moins dense et sont générés par une irradiation laser multi-impulsionnelle femtoseconde dans certains verres, cristaux et semiconducteurs. Leur origine physique ainsi que les conditions d'irradiation laser pour leur formation et leur effacement sont investiguées dans ce travail théorique. Pour simuler la propagation nonlinéaire dans les verres, les équations de Maxwell sont couplées avec l'équation d'évolution de la densité électronique. Il est démontré que les nanoplasmas périodiques 3D sont formés pendant l'interaction laser ultrabref avec les inhomogénéités de la silice fondue. Les nanopores induits par laser sont supposés jouer le rôle de centres inhomogènes de diffusion. La périodicité sub-longueur d'onde et l'orientation des nanoplasmas dépendante de la polarisation, révélées dans cette thèse, font d'eux un excellent candidat pour expliquer la formation des nanoréseaux en volume. En plus, il est demontré que les nano-ripples sur la surface de silice fondue et les nanoréseaux en volume ont des mécanismes de formation similaires. Pour justifier la présence de nanopores dans la silice fondue irradiée par laser, les processus de décomposition du verre sont étudiés. Premièrement, les profils de température sont calculés sur la base d'un modèle électron-ion. Ensuite, à partir des températures calculées, des critères de cavitation et de nucléation dans le verre ainsi que des équations hydrodynamiques de Rayleigh-Plesset, les conditions pour la formation des nanopores et la survie des nanoréseaux en volume sont élucidées. Pour établir les dépendances des paramètres du laser de formation et d'effacement des nanoréseaux en volume, l'approche multiphysique est développée comprenant la propagation du laser ultrabref dans le verre, les processus d'excitation/relaxation électroniques et le modèle à deux températures. Les résultats numériques fournissent les paramètres du laser en fonction de l'énergie de l'impulsion, sa durée et le taux de répétition pour induire des nanoréseaux en volume, en bon accord avec les expériences nombreuses et indépendantes de la littérature. Le travail réalisé a non seulement permis de déterminer les mécanismes de formation des nanostructures périodiques mais améliore également notre connaissance du contrôle optimal des paramètres du laser sur la réponse ultrarapide d matériau, en ouvrant des nouvelles opportunités de traitement des diélectriques par laser ultrabref / This thesis is focused on the numerical modeling of ultrashort laser interaction with transparent dielectrics. More particularly, the phenomenon of self-organized volume nanogratings in fused silica bulk is discussed and a multiphysical model is proposed to explain the mechanism of their formation. Volume nanogratings are sub-wavelength periodic nanostructures, consisting of less dense material, which are commonly induced by multipulse femtosecond laser irradiation in some glasses, crystals and indirect semiconductors. Their physical origin as well as the laser irradiation conditions for theirformation and erasure are investigated in this theoretical work. To model the nonlinear propagation inside glass, Maxwell's equations are coupled with rate equation. It is shown that three-dimensional periodic nanoplasmas are formed during ultrashort laser interaction with fused silica inhomogeneities. Laser-induced nanopores are proposed to play the role of inhomogeneous scattering centers. Subwavelength periodicity and polarization dependent orientation of the nanoplasmas, revealed in this thesis, make them a strong candidate for explaining volume nanogratings formation. Additionally, it is demonstrated that the nanoripples on fused silica surface and volume nanogratings have similar formation mechanisms. To justify the presence of nanopores in laser-irradiated fused silica bulk, glass decomposition processes are investigated. Firstly, the temperature profiles are found by incorporating the electron-ion temperature model. Then, based on the calculated temperatures, criteria for cavitation and nucleation in glass and also hydrodynamic Rayleigh-Plesset equation, the conditions for nanopores formation and for volume nanogratings survival are elucidated. To define the laser parameter dependencies on the volume nanogratings formation/erasure, a selfconsistent multiphysical approach is developed including ultrafast laser propagation in glass, multiple rate equation to take into account excitation/relaxation processes and two-temperature model. The numerical results provide a laser parameter window as a function of laser pulse energy, laser pulse duration and repetition rate for volume nanogratings consistent with numerous independent experiments. The performed work not only provides new insights into the formation mechanisms of periodic nanostructures but also improves our knowledge of the optimal laser parameter control over ultrafast material response, opening new opportunities in ultrashort laser processing of dielectrics