La lumière est-elle défléchie par la lumière ? Une proposition de manip pour tester avec LASERIX une prédiction de QED non linéaire à basse énergie François.

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1 La lumière est-elle défléchie par la lumière ? Une proposition de manip pour tester avec LASERIX une prédiction de QED non linéaire à basse énergie François Couchot, Arache Djannati-Atai (APC), Xavier Sarazin, Marcel Urban

2 Le vide est un milieu optique non linéaire QED non linéaire prédit qu’à basse énergie, en présence d’un champ externe (E,B) fort, le vide doit se comporter comme un milieu optique non linéaire:  Dans le vide:  Polarisation et magnetisation du milieu et  Dans un milieu optique : Petit rappel:

3 Euler-Heisenberg: Corrections non linéaires de QED dues aux interactions photons-photons de QED Lumière sonde E,B externe QED non linéaire  Modification des Eq. de Maxwell à l’ordre le plus bas: Finalement le vide n’intervient pas dans cette description ! E,B externe « ajoute » des paires e+e- dans le vide  augmentation de l’indice apparent du vide Ceci est peut-être complètement faux si par exemple la densité du vide est finie ?

4 Comment tester expérimentalement si le vide est un milieu optique non linéaire Tests expérimentaux : –Biréfringence du vide –Doublage de fréquence (ou doublage de photon ou « parametric amplification ») –Fusion de photons –Diffusion photon-photon Il existe un autre effet qui n’a été testé qu’une seule fois par Jones en 1960 (!) La déflection d’un faisceau lumineux dans le vide par un champ (E, B) externe non uniforme (ce dernier modifie l’indice du vide apparent)

5 R.V. Jones, Nature, 186, 706 (1960) B 0 ~ 1 Tesla   = 5.5 10 -13 rad QED prediction: Idée: refaire cette manip avec un champ magnétique super balaise LASERIX: 1 J, 30 fs, w~5 mm  B ~ 5 10 5 T

6 Idée: faire croiser deux impulsions LASERIX – de même amplitude, – polarisées linéairement et orthogonalement l’une de l’autre – se propageant à contre-sens, – et décalées d’une distance  LASERIX: 30 fs, w=5  m (fwhm)  =5  m 1 J  deviation ~ 3 10  13 rad 20 J  deviation ~ 5 10  12 rad 

7 Pulse 1 Pulse 2  (amplitudes) François a mené les calculs…

8 Simulation de François pour estimer l’effet attendu Avec LASERIX: 30 fs, w=3  m (fwhm)  =3  m 1 J  deviation ~ 5 10  13 rad 20 J  deviation ~ 10  11 rad

9 Comment mesurer le picoradian N/2 N = # photons par seconde T mes = durée de mesure D d Quadrant diode Voir par exemple: P. Lorrain, Optics and Lasers in Engineering, 15, 197 (1991) Mesure rotation de miroir à 1 kHz Mesure synchrone 1 kHz avec laser continu   ~ 10  13 rad Méthode standard utilise une photodiode quadrant

10 Avec LASERIX, deux principales difficultés:  Régime pulsé à 10 Hz  beam pointing ~ 30  rad  1J, 800 nm, 30 fs  mesurer 30 TW à 10  8 près !!!  méthodes classiques (thermique, sphère intégratrice) sont peu précises  on doit donc étendre l’impulsion sur ~10 ms avant de la mesurer sur la diode Verre dopé Er(3+),  ~ 10 ms Absorbe à 800 nm Réémet à 1540 nm, 2750 et 980 nm

11 LASERIX: 800 nm, 30 fs, 2 J, 10 Hz 5 Hz ON-OFF Er(3+)  doped Fused silica Laser 800 nm, continuous ~ mW, for noise spectrum measurement InGaAs High Linearity Photodiode (10  100 mA max) BS1 BS2 P Delay Stage KEM-1 KEM-2 z x y z x y x z y Translation  x

12 Mettons quelques chiffres… Pulse 0.5 J par quadrant  2 10 18 photons par pulse On suppose efficacité conversion+collection lumière photoluminescente Er 3+ ~ 0.1%  2 10 15 photons par pulse Faisceau laserix  =1cm (fwhm) et D= 1m Mesure à 10 Hz pendant 10 4 secondes

13 Mettons quelques autres chiffres parfois un peu dur à entendre…  4 photodiodes par verre dopé Er 3+ + 2 verres dopés  8 diodes  courant ~ 7 mA/diode  ça l’fait avec des Highly linear InGasAs photodiode  Signal photodiode doit être enregistré avec précision meilleure que  ça l’fait par exemple avec carte standard 24 bits, lsb ~ 21 bits, 200 kS/s, 256 ksamples buffer précision sur 10 ms =  Un vide de 10-11 mbar pour être en dessous de l’effet Kerr  là aussi ça l’fait grâce à nos experts au LAL  Beam-pointing doit être contrôlé (et supprimé) à mieux que 10  10 rad à 10 Hz Là, ça commence à être de la haute voltige ! – Mesure de référence du pointé avant le croisement des deux faisceaux puis soustraction – Mesure la déviation des deux faisceau après croisement et on les soustrait l’un à l’autre  supprime le beam-pointing (en théorie…) Beam pointing Deflection QED

14 Mettons quelques autres chiffres parfois un peu dur à entendre…  4 photodiodes par verre dopé Er 3+ + 2 verres dopés  8 diodes  courant ~ 7 mA/diode  ça l’fait avec des Highly linear InGasAs photodiode  Signal photodiode doit être enregistré avec précision meilleure que  ça l’fait par exemple avec carte standard 24 bits, lsb ~ 21 bits, 200 kS/s, 256 ksamples buffer précision sur 10 ms =  Un vide de 10-11 mbar pour être en dessous de l’effet Kerr  là aussi ça l’fait grâce à nos experts au LAL  Beam-pointing doit être contrôlé (et supprimé) à mieux que 10  10 rad à 10 Hz Là, ça commence à être de la haute voltige ! – Mesure de référence du pointé avant le croisement des deux faisceaux puis soustraction – Mesure la déviation des deux faisceau après croisement et on les soustrait l’un à l’autre  supprime le beam-pointing (en théorie…)  Bruit électronique et mécanique doit être < 10  10 rad à 10 Hz Houlala !... De plus en plus périlleux… Voilà un beau défi pour un laboratoire d’excellence comme le LAL !

15  signal  beam-pointing Piezo 5 Hz Piezo 5 Hz M1M1 M2M2 ~ 1 m  ~ 10 mm  Objectif: démontrer qu’on peut atteindre une sensibilité du picoradian en utilisant le système « KEQE » TM (“knife-edge quadrant with Er 3+ ”) et la soustraction du beam-pointing  Outils: Un miroir M 1 avec rotation guidée par piezo pour simuler l’angle de déflection  signal Un miroir M 2 avec rotation guidée par piezo pour simuler le beam-pointing  beam-pointing 1 er setup de validation

16 Backup

17 Y a-t-il un lien avec la diffusion photon-photon ? Diffusion photon-photon: – Processus « corpusculaire » – Section efficace très faible – Analogie : Diffusion Compton Déflection du faisceau: – Processus « ondulatoire » – Effet collectif – Analogie: Réfraction dans un milieu

18 z x y z y x z x y z y x t<0 t=0